Radiomètre de Crookes
Des théories et des gens, parfois célèbres, qui se sont mêlés de dire et calculer comment ça marchait, il y en a eu, et il y en a encore ! Même Einstein y est allé de son couplet.
Il faut reconnaitre qu'au début, vers 1900, les chercheurs, même en étant astucieux, avaient quand même des difficultés pour acquérir des données fiables et faire des essais reproductibles.
Loi des gaz parfaits
Rappelez-vous avec la pression de radiation, on s'était déjà pelé une estimation de la masse des 4 pales, 150 mg, et on avait une pression ridicule de 4.54 10-6 Pa, soit une force de 456 pN sur notre pale de 1 cm2.
Accélération au rebond
Eh bien commençons par examiner la proposition où les molécules qui frappent les pales accélèrent côté chaud, et ralentissent côté froid, au moment du rebond.
L'idée est qu'une molécule "tiède" ralentisse si elle frappe le côté froid (elle refroidit) et accélère côté chaud (elle augmente sa température). Le résultat global est une force nette qui pousse le côté chaud.
Cette explication pose immédiatement des problèmes : les molécules plus chaudes vont ralentir et empêcher les autres molécules d'approcher, la densité locale va diminuer, et l'effet escompté n'aura pas la force que l'on espère. De plus, ce n'est guère différent des interactions entre les molécules et les radiations infrarouges.
Einstein s'en est mêlé, il a montré que cette histoire de rebonds s'annulait sur la plus grande partie de la pale, ceci dépendant de la pression, mais qu'il en restait pas mal sur les bords. Cependant, cette explication ne fut pas suffisante pour expliquer les forces mises en jeu.
Au mieux, c'est une contribution partielle. Quantitativement, et sur quelle extension, et bien c'est difficile à exhiber.
Transpiration thermique
Ah ça, quand on a chaud, on transpire. Apparemment les gaz aussi.
Si vous mettez une membrane poreuse entre deux zones où l'une est plus chaude que l'autre, alors les molécules de gaz ont tendance à "ramper" (creep) du froid vers le chaud le long de la membrane, alors que loin des "murs" : c'est la transpiration. Ce flot le long du mur provoque une force de réaction opposée sur le mur. Loin des murs, a un déplacement "normal" (visqueux, par la pression) du chaud vers le froid.
Un équilibre est atteint quand le ratio des pressions de chaque côté de la membrane est la racine carrée du ratio des températures absolues relisez doucement. C'est pratique pour faire des pompes moléculaires.
Répulsion orbitale
L'explication serait la suivante: lorsqu'un atome absorbe de l'énergie, par exemple un photon, alors un électron passe "soudainement" à une orbitale supérieure, il est excité. Ceci provoque un accroissement de la taille de l'atome, ce qui le rapproche de ses voisins, exerçant une répulsion qui peut se retrouver au niveau d'une pale. On appelle ça une répulsion orbitale.
D'après The Force Driving the Crookes Radiometer / Jerry Z. Liu (2019)
Synthèse
Il nous faut manifestement des expériences supplémentaires pour mieux comprendre ce qui se passe, et séparer les effets.
Ce n'est pas si évident avec un élément tournant, mais les chercheurs ont tenté d'utiliser les couples de torsion -en espérant que le fait que ce soit statique n'ajoute pas à la confusion-, ou d'autres astuces qu'on va voir.
On fait même des simulations numériques, vu que nous avons des moyens de calcul conséquents à notre disposition. Mais bon c'est aussi nous qui entrons les hypothèses dans le simulateur, alors il faut se méfier.