我们每天呼吸超过 20,000 次，这是一个自动进行的、对生存至关重要的过程。吸入氧气以维持身体机能，然后将其转化为二氧化碳并呼出。然而，除了氧气，其他分子如氮气、细菌和病毒也会进入我们的身体。这种混合物提供了关于我们周围环境的大量信息，以至于我们拥有一个专门的感官来解读它：嗅觉。
通过嗅觉，我们可以在闭眼的情况下识别他人，避开迫在眉睫的危险，或者被带回童年夏日的时光。但鼻子这个伟大的侦探是如何运作的呢？巴斯克大学化学学院的物理化学专家、教授 Elixabete Rezabal 在 2025 年 Naukas Bilbao 科学节上解释了这一奥秘背后的化学原理。她指出，传统的理论认为，在鼻子深处，靠近大脑的地方，受体蛋白能够捕捉外部分子。当一个分子形状匹配时，就会激活一个信号，大脑将其识别为一种气味。这种描述嗅觉工作原理的理论是由诺贝尔奖得主 Linda Buck 和 Richard Axel 于 2004 年提出的。
然而，Rezabal 强调，这种解释并非总是足够。对于形状相似但气味截然不同的分子，情况又如何呢？例如，一个酒精分子可能闻起来像新鲜割过的草。但如果将氧原子替换为硫原子，其分子几何结构保持不变，气味却会变成臭鸡蛋味。因此，仅凭形状无法完全解释我们如何处理气味。
为了提供一种替代解释，Rezabal 介绍了来自麻省理工学院的生物物理学家 Luca Turin 及其合作者提出的理论。他们早在 1996 年就提出，我们的鼻子检测的不是分子的形状，而是它们的量子振动。这一假说源于这样一个观点：分子在室温下会持续运动和振动。这些振动并非随机的，而是量子化的，意味着只有特定的振动模式是允许的，每种模式都有其自身的能量。水分子就是一个很好的例子，它有三种振动模式，每种模式都与特定的能量相关联。如果它从周围环境中接收到精确的能量，它就能以不同的方式振动并跃迁到更高的能级。
重水（或称氘水）的分子形状与普通水相同，但其氢原子被更重的氘原子取代。这改变了其振动模式之间的能量跃迁所需能量。因此，尽管形状相同，它们的振动却不同。Turin 推测，如果嗅觉是基于振动的，那么应该能够区分水和重水。他与团队进行了实验，使用了嗅觉极其灵敏的果蝇。实验结果是，果蝇被水吸引，却避开重水。这引发了一个问题：我们的鼻子使用何种机制来检测这种量子现象？
基于这一有趣的实验，发展出了“量子鼻道隧道”的概念。该机制利用电子的量子特性，通过分子的振动来识别分子，这类似于实验室的光谱仪，例如非弹性电子隧道光谱（IETS）。目前的理论认为，当一个分子结合时，一个电子必须从蛋白质的一个部分转移到另一个部分。这种转移会产生能量交换，并将信号发送到大脑。需要注意的是，分子总是以其最低能级振动。然而，如果一个分子跃迁到更高振动模式所需的能量恰好等于电子在移动过程中必须释放的能量，那么转移就会发生，大脑就会感知到一种气味。反之，如果能量不匹配，则不会发生转移，也不会感知到气味。
除了科学探索，Turin 还将嗅觉振动理论应用于商业领域，创立了 Flexitral 公司，为香水行业提供服务。通过计算分子的振动模式，他能够用更便宜的替代品来取代香水师珍视的、具有独特香味的昂贵化合物，因为这些替代品具有相似的振动，因此闻起来也一样。
Rezabal 在 2025 年 Naukas Bilbao 上的演讲总结道，量子力学虽然看似遥远，但它在我们日常生活中的存在却比我们想象的要普遍得多，因为“我们身体的许多现象都基于量子原理”。在嗅觉方面，所有证据都指向振动是关键。虽然传统的“形状匹配”理论（由 Linda Buck 和 Richard Axel 提出）在解释某些嗅觉现象时遇到困难，但 Luca Turin 的振动理论提供了一个引人入胜的替代视角。该理论认为，嗅觉受体可能通过检测分子的量子振动来工作，这与实验室中的非弹性电子隧道光谱（IETS）技术有相似之处。这种量子力学在生物学中的应用，例如在嗅觉中，揭示了我们身体内部运作的深刻复杂性，并为理解我们与周围世界的互动方式提供了新的思路。例如，重水和普通水的分子形状相同，但由于同位素取代导致其振动模式不同，因此气味也不同，这支持了振动理论。Turin 的研究不仅推动了科学理解，还催生了像 Flexitral 这样的公司，该公司利用振动理论开发新的香水和风味分子，证明了基础科学研究的实际应用价值。正如 Rezabal 所强调的，量子力学在我们身体内的普遍存在，尤其是在嗅觉这一我们日常生活中不可或缺的感官中，提醒我们科学的奇妙之处远超我们最初的想象。