Les physiciens cherchent à comprendre où se situe la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique. Cette question est particulièrement intéressante en biologie. Récemment, des interférences quantiques ont été produites avec des molécules d'un antibiotique constitué de 15 acides aminés.

La découverte en 1926 de l'équation de Schrödinger décrivant des ondes de matière associées à des particules constituant des systèmes physiques, par exemple des molécules ou des cristaux, a rapidement permis de percer les secrets de base des liaisons chimiques entre atomes. En effet, dès 1927, Walter Heitler et Fritz London ont rendu compte avec cette équation de l'existence de la molécule d'hydrogène diatomique, ouvrant la voie au développement de la chimie quantique au cours des années suivantes, voie dans laquelle des découvertes importantes vont être accomplies par Robert S. Mulliken, Linus Pauling et bien d'autres chercheurs.

Il n'y a donc pas de doute que des protéines ou l'ADN, la molécule de la vie, doivent leur existence à la mécanique quantique. Pourtant, la majorité des biologistes et des biophysiciens traitent des cellules vivantes et des molécules qui les constituent comme des objets relevant de la physique classique et pas quantique. Pour eux, rien ne montre dans les phénomènes vivants les bizarreries du monde quantique, où les particules n'en sont pas vraiment, et pas plus des ondes si on entend par ces mots des objets qui se comportent en tout point comme des billes de billard ou des vagues à la surface de l'eau.

Depuis quelques décennies, il existe pourtant des travaux et des faits expérimentaux qui suggèrent qu'il y a peut-être derrière les phénomènes vivants un iceberg caché de phénomènes quantiques. On spécule même sur leurs rôles dans l'apparition de la conscience. Toujours est-il que dans cette perspective, où il existerait donc une véritable biologie quantique, il se pose le problème de savoir à partir de quand la description classique de la physique émerge. Souvent, on fait intervenir la taille d'un système physique mais il faut bien avouer que la question du passage du quantique au classique n'est pas très bien définie. S'il est certain qu'une bille de billard ou un Homme ne se comporte pas comme une onde de matière quantique à la façon des électrons, on ne comprend pas exactement quand ni pourquoi un objet est suffisamment gros pour échapper dans la vie de tous les jours à l'équation de Schrödinger.

Des franges d'interférence avec des grosses molécules biologiques

Pour tenter d'y voir plus clair quand on ne comprend pas théoriquement quelque chose, c'est souvent une bonne idée d'arrêter de spéculer et de faire des expériences pour trancher des questions ou découvrir des informations supplémentaires qui vont guider les progrès théoriques. Les physiciens réalisent donc des expériences avec des objets de différentes tailles pour voir s'ils gardent ou non un comportement quantique. Souvent, il s'agit de voir si l'on peut continuer à obtenir des figures de diffraction ou d'interférence avec ces objets, analogues à celles que l'on obtient, par exemple, avec des électrons dans la célèbre expérience de Feynman.

C'est précisément ce qu'a fait une équipe internationale de chercheurs menée par des physiciens de l'université de Vienne, comme elle l'explique dans un article paru dans Nature Communications. Ils ont obtenu des franges d'interférence dans un interféromètre de type Talbot-Lau avec des molécules de gramicidine, un antibiotique naturel composé de 15 acides aminés.

Pour obtenir ce résultat, il fallait trouver un moyen de produire un faisceau de molécules de gramicidine ultrafroides sans détruire, lors de l'opération, ces fragiles molécules. Pour cela, les chercheurs ont utilisé de courtes impulsions laser pour détacher ces molécules initialement déposées sur un disque en rotation, comme le montre le schéma ci-dessus.Elles sont alors emportées et propulsées par un faisceau d'atomes d'argon se déplaçant à 600 m/s.

La théorie quantique nous dit ensuite que la molécule de gramicidine doit exhiber un comportement ondulatoire, comme si elle était un grain de lumière associé à une longueur d'onde de 350 femtomètres (1 femtomètre fait 10-15 mètres). C'est bien ce qu'ont constaté les chercheurs en obtenant des franges d'interférence avec la gramicidine.

Ce faisant, leurs travaux ouvrent la voie à d'autres études des propriétés quantiques des biomolécules. Il pourrait être fascinant de démontrer l'existence de comportements quantiques pour des enzymes, de l'ADN, voire des virus comme il a été proposé de le faire il y a des années déjà.

CE QU'IL FAUT RETENIR
Connue depuis des lustres, la dualité onde-corpuscule est mise en évidence par l'apparition de franges dans des expériences de diffraction ou d'interférence. Obtenu d'abord avec des particules, le phénomène a été reproduit avec des atomes puis des molécules.

  • Les physiciens cherchant à comprendre où se situe la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique peuvent utiliser ce genre d'expérience. Cette question est particulièrement intéressante en biologie, là ou a priori on pourrait penser que n'existent que des phénomènes relevant de la physique classique.
  • Mais récemment, des interférences quantiques ont été produites avec des molécules d'un antibiotique constitué de 15 acides aminés, la gramicidine. La technique de mesure utilisée ouvre la voie à d'autres expériences similaires avec des enzymes, de l’ADN, voire des virus.

Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-biologie-quantique-antibiotique-comporte-comme-onde-matiere-37863/