L'infiniment petit — Salle 17
L'atome et le monde quantique
« Car par la foi nous comprenons que les siècles ont été, par la parole de Dieu, criados, afin que ce qui est visible n'ait été fait de choses visibles. »Hébreux 11:3 ; Colossiens 1:16
L'atome est surtout du vide. Et dans le vivant, des effets que personne ne croyait possibles se produisent.
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L'atome est surtout du vide. Le noyau d'un atome de carbone a un rayon d'environ un milliardième de milliardième de mètre, quand l'atome lui-même mesure cent mille fois plus. La fraction du volume réellement occupée est donc de l'ordre de un sur mille billions. Si l'atome était plein, il pèserait des tonnes par centimètre cube. La matière est donc essentiellement vide, structurée par une répartition de probabilités. C'est la mécanique quantique qui rend cette structure stable : l'énergie d'un électron dans un état donné est minimale, et l'atome ne s'effondre pas sur lui-même. La matière est stable parce que la mécanique quantique le lui permet. Et le vivant fait de la quantique sans le savoir. L'effet tunnel est établi dans certaines enzymes : un proton traverse une barrière d'énergie que, classiquement, il ne devrait pas franchir ; la distance et la forme de la barrière déterminent la vitesse de la réaction. C'est un résultat de biochimie, pas une hypothèse de physique. Le cas de la boussole des oiseaux est plus délicat : en deux mille vingt et un, Xu et ses collaborateurs ont montré dans Nature que la cryptochrome quatre du rouge-gorge est plus sensible au magnétisme que celle d'oiseaux non migrateurs.
Le vide
Un noyau, et beaucoup de néant
Si le noyau était une bille au centre d'un stade, les électrons seraient dans les tribunes. L'image n'est qu'une image — mais elle est aussi une description quantitative, et elle est vérifiable.
Si l'atome était plein, il pèserait des tonnes par centimètre cube. La matière est donc essentiellement vide, structurée par une répartition de probabilités. C'est la mécanique quantique qui rend cette structure stable : l'énergie d'un électron dans un état donné est minimale, et l'atome ne s'effondre pas sur lui-même. La matière est stable parce que la mécanique quantique le lui permet.
Le tableau périodique des éléments devient alors l'alphabet de la matière : 118 éléments, construits par l'ajout successif de protons, de neutrons et d'électrons. Chaque atome est un être unique — et l'univers ne contient que ces 118 types de briques,bani dans toutes leurs combinaisons.
La biologie quantique
Le vivant fait de la quantique sans le savoir
L'effet tunnel, la superposition, l'intrication : des effets propres à la physique quantique plays des rôles mesurables dans des organismes vivants.
L'effet tunnel est établi dans certaines enzymes : un proton traverse une barrière d'énergie que, classiquement, il ne devrait pas franchir ; la distance et la forme de la barrière déterminent la vitesse de la réaction. C'est un résultat de la biochimie, pas une hypothèse de la physique : il a des conséquences mesurables sur la vitesse des réactions.
Le cas de la boussole des oiseaux est plus délicat. En 2021, Xu et ses collaborateurs ont publié dans Nature une étude montrant que la cryptochrome 4, la protéine photosensible du rouge-gorge, est plus sensible au magnétisme que celle d'oiseaux non migrateurs, et que son comportement obéit au modèle de la paire de radicaux — deux électrons dont les spins sont corrélés. En 2023, un autre groupe a montré qu'in vivo, chez le rouge-gorge, la cryptochrome 4 forme bien une paire de radicaux sous l'effet d'un champ magnétique faible.