我們每天呼吸超過兩萬次，這是一個維持生命所必需的自動過程。吸入的氧氣支持身體機能，轉化為二氧化碳後呼出。然而，與氧氣一同進入體內的還有氮氣、細菌和病毒等其他分子。這些混合物提供了關於我們周遭環境的豐富資訊，而我們擁有的嗅覺，正是為了解讀這些資訊而生的專門感官。
透過嗅覺，我們即使閉著眼睛也能辨識人，避開潛在的危險，甚至能喚起童年夏日的記憶。但這個位於鼻腔內的「偵探」是如何運作的呢？在第十五屆 Naukas Bilbao 科學節上，物理化學專家、巴斯克大學化學系教授 Elixabete Rezabal 博士，深入淺出地闡述了嗅覺背後的化學奧秘。傳統理論認為，鼻腔深處靠近大腦的受體蛋白會捕捉外部分子，當分子形狀契合時，便會啟動一個訊號，由大腦識別為某種氣味。這個由諾貝爾獎得主 Linda Buck 和 Richard Axel 在 2004 年提出的理論，解釋了嗅覺的基本機制。
然而，Rezabal 博士指出，單憑形狀並不能完全解釋所有現象。例如，為何形狀相似的分子會有截然不同的氣味？一個聞起來像青草的酒精分子，若將其中的氧原子替換為硫原子，其分子幾何結構幾乎不變，但氣味卻會變成硫磺般的惡臭。這顯示出僅憑分子形狀不足以完全闡釋氣味的感知。
為了解決這個謎題，Rezabal 博士提出了物理學家 Luca Turin 及其麻省理工學院（MIT）合作者們的理論。他們在 1996 年提出，我們的鼻子偵測的並非分子的形狀，而是其「量子振動」。這個假說源於一個觀點：分子在室溫下會持續振動，而這些振動並非隨機，而是「量子化」的，意味著只有特定的振動模式是允許的，每種模式都有其獨特的能量。以水分子為例，它有三種主要的振動模式，每種模式都對應著特定的能量。如果水分子從周遭環境吸收了精確數值的能量，它就能夠以不同的方式振動，躍遷到更高的能量狀態。
而「重水」（氘水）與普通水具有相同的形狀，但其氫原子被氘原子取代，氘原子核心多了一個中子，這使得原子質量增加，進而改變了振動模式之間的能量躍遷所需能量。因此，儘管形狀相同，它們的振動卻有所不同。Turin 博士推測，如果嗅覺是基於振動，那麼應該能夠區分水和重水。為驗證此點，他與團隊進行了實驗，利用嗅覺極為靈敏的果蠅進行測試。實驗結果證實了這一點：果蠅會被水吸引，卻排斥重水。這引發了一個問題：我們的鼻子是如何偵測這種量子現象的呢？
基於這項引人入勝的實驗，科學家們發展出「量子鼻道隧道」的概念。該機制利用電子的量子特性，透過分子的振動來識別它們，這與實驗室中的光譜儀（如非彈性電子穿隧光譜儀）原理相似。目前的理論認為，當一個分子與受體結合時，一個電子必須從蛋白質的一個部分轉移到另一個部分，這個轉移過程會產生能量交換，並向大腦發送訊號。重要的是，分子在常溫下總是處於最低能量狀態。然而，如果分子躍遷到更高振動模式所需的能量，恰好等於電子在轉移過程中釋放的能量，那麼這種能量交換就會發生，大腦便會感知到相應的氣味。反之，如果能量不匹配，則不會發生電子轉移，氣味也無法被感知。
除了科學探索，Turin 博士更將這項嗅覺振動理論應用於創立 Flexitral 公司，服務於香水產業。透過計算分子的振動模式，他能夠找到更經濟實惠的替代化合物，來取代那些因獨特香氣而價格高昂的珍貴成分，因為這些替代品具有相似的振動頻率，因而能產生相同的氣味。Rezabal 博士在 Naukas Bilbao 2024 的演講中總結道，量子力學雖然看似遙遠，卻比我們想像的更貼近日常生活，因為「我們身體的許多現象都基於量子原理」。就嗅覺而言，所有證據都指向振動是解開這個謎團的關鍵。