宇宙中最神奇的长度——21厘米

光子以您能想象到的每个波长出现。但是一个特殊的量子跃迁可以使光精确到 21 厘米，这是很神奇的。

这张星系 Messier 81 的地图是根据超大阵列获取的数据构建的，以 21 厘米的辐射绘制出这个旋臂的恒星形成星系。氢的自旋翻转跃迁发出波长恰好为 21 厘米的光，在许多方面是整个宇宙中最重要的辐射长度。

关键要点

• 在整个可观测宇宙中，大约有 10^80 个原子，其中大部分是简单的氢：每个原子仅由一个质子和一个电子组成。

• 每次氢原子形成时，质子和电子的自旋将以 50/50 的比例排列，这是一种比未排列时更高的能量状态。

• 从对齐态到反对齐态的量子跃迁是所有跃迁中最极端的跃迁之一，它产生的光波长恰好为 21 厘米：可以说是宇宙中最重要的长度。

在我们的宇宙中，量子跃迁是每一个核、原子和分子现象背后的支配规则。与我们太阳系中的行星不同，如果它们拥有合适的速度，它们可以在任何距离稳定地绕太阳运行，而构成我们所知道的所有常规物质的质子、中子和电子只能以特定的一组结合在一起配置。这些可能性虽然很多，但数量有限，因为控制电磁和核力的量子规则限制了原子核和围绕它们运行的电子如何自行排列。

在整个宇宙中，最常见的原子是氢，只有一个质子和一个电子。无论新恒星在哪里形成，氢原子都会被电离，如果这些自由电子能够找到回到自由质子的路，氢原子就会再次变成中性。尽管电子通常会在允许的能级下级联进入基态，但通常只会产生一组特定的红外线、可见光和紫外线。但更重要的是，氢中会发生一种特殊的跃迁，它会产生手掌大小的光：波长为 21 厘米（约 8¼ 英寸）。这是一个神奇的长度，它可能有一天会解开隐藏在宇宙深处的最黑暗的秘密。

在宇宙微波背景的背光照射下，一团中性气体可以在特定波长和红移的辐射上留下信号。如果我们能够以足够高的灵敏度测量这种光，我们实际上希望有一天能够借助 21 厘米天文学科学绘制出宇宙中气体云的位置和密度。

当谈到宇宙中的光时，波长是您可以用来揭示光是如何产生的一个属性。尽管光以光子的形式出现在我们面前，即单个量子共同构成了我们所知的光现象，但有两种截然不同的量子过程产生了我们周围的光：连续的和离散的。

一个连续的过程有点像太阳光球层发出的光。它是一个被加热到一定温度的黑暗物体，它会根据该温度辐射出所有不同的连续波长的光：物理学家称之为黑体辐射。

然而，离散过程不会发出一组连续波长的光，而只会发出极其特定的波长。一个很好的例子就是太阳最外层中存在的中性原子吸收的光。当黑体辐射撞击那些中性原子时，其中一些光子将具有恰到好处的波长，以被它们遇到的中性原子内的电子吸收。当我们将阳光分解成各个波长时，在连续的黑体辐射背景下出现的各种吸收线向我们揭示了这两个过程。

这张太阳的高分辨率光谱图像显示了整个可见光谱的背景连续光，上面覆盖了存在于太阳光球层最外层的各种元素的吸收线。每条吸收线对应于一个特定的元素和一个特定的电子跃迁，最宽、最深的特征对应于太阳中最丰富的元素：氢和氦。

每个单独的原子都具有主要由其原子核定义的属性，原子核由质子（决定其电荷）和中子（与质子结合决定其质量）组成。原子也有电子，它们围绕原子核运行并占据一组特定的能级。孤立地，每个原子都将存在于基态：电子级联向下直到它们占据最低允许的能级，仅受决定电子具有和不允许具有的各种特性的量子规则的限制。

电子可以占据原子的基态 - 1s 轨道 - 直到它充满，它可以容纳两个电子。下一个能级由球形（2s）和垂直（2p）轨道组成，它们分别可以容纳两个和六个电子，总共八个。第三能级可以容纳 18 个电子：3s（两个）、3p（六个）和 3d（十个），并且该模式继续向上。一般来说，“向上”跃迁依赖于吸收特定波长的光子，而“向下”跃迁则导致发射完全相同波长的光子。

这是原子的基本结构，有时称为“粗略结构”。例如，当你从氢原子的第三能级跃迁到第二能级时，你会产生一个红色光子，其波长恰好为 656.3 纳米：正好在人眼的可见光范围内。

但是，如果您从以下位置过渡，则发射的光子的精确波长之间存在非常非常细微的差异：

• 第三能级下降到 2s 或 2p 轨道

• 一个能级，其中自旋角动量和轨道角动量与它们反对齐的一个能级对齐

• 或核自旋和电子自旋对齐与反对齐的一种。

在量子力学中也有关于允许与禁止的规则，例如你可以将电子从 d 轨道转变为 s 轨道或 p 轨道，以及从 s 轨道转变为一个 p 轨道，但不是从一个 s 轨道到另一个 s 轨道。

同一能级内不同类型轨道之间的微小能量差异被称为原子的精细结构，这是由于原子内每个粒子的自旋与原子核周围电子的轨道角动量之间的相互作用而产生的。它导致波长偏移小于 0.1%：小但可测量且显着。

铯 133 原子 6S 轨道的原子跃迁 Delta_f1 是定义米、秒和光速的跃迁。根据任何两个位置之间的运动和空间曲率的特性，观察到的这种光的频率会发生轻微变化。自旋轨道相互作用，以及各种量子规则和外部磁场的应用，可以在这些能级的窄间隔内引起额外的分裂：精细和超精细结构的例子。

但在量子力学中，由于量子隧穿现象，有时甚至会发生“禁止”跃迁。当然，您可能无法直接从一个 s 轨道转换到另一个 s 轨道，但如果可以：

• 从 s 轨道过渡到 p 轨道，然后再回到 s 轨道

• 从 s 轨道过渡到 d 轨道，然后再回到 s 轨道

• 或者，更一般地说，从 s 轨道过渡到任何其他允许的状态，然后再回到 s 轨道

那么这种转变就会发生。量子隧穿的唯一奇怪之处在于，您不必在具有足够能量的情况下发生“真实”跃迁以使其发生在中间状态；它可以虚拟地发生，所以你只能看到最终状态从初始状态出现：如果不调用量子隧穿，这将是被禁止的。

这使我们能够超越单纯的“精细结构”，进入超精细结构，其中原子核的自旋和绕其运行的电子之一以“对齐”状态开始，自旋方向相同，即使电子处于能量最低的基 (1s) 态，进入反对齐态，此时自旋发生反转。

每当氢原子形成时，其中的电子就会自发地去激发，直到它处于原子的最低 (1s) 状态。有 50/50 的机会让电子和质子的自旋对齐，这些原子中的一半将能够量子隧穿进入反对齐状态，在此过程中发射 21 厘米（1420 MHz）的辐射。

这些跃迁中最著名的发生在最简单的原子类型中：氢。只有一个质子和一个电子，每当你形成一个中性氢原子并且电子级联到基态（最低能量）时，中心质子和电子的自旋有 50% 的机会对齐，自旋有 50% 的机会反对齐。

如果自旋是反排列的，那就是真正的最低能量状态；没有任何地方可以通过会导致能量排放的过渡。但是如果自旋是对齐的，就有可能将量子隧穿到反对齐状态：即使直接跃迁过程被禁止，但隧穿允许你从起点直接走到终点，在这个过程中发射一个光子。

这种转变，由于其“禁止”的性质，需要极长的时间才能发生：平均原子大约需要 1000 万年。然而，对于氢原子来说，这种轻微激发、对齐情况的长寿命有一个好处：发射的光子，波长为 21 厘米，频率为 1420 兆赫，本质上非常窄。事实上，它是所有原子和核物理学中已知的最窄、最精确的过渡线！

这张银河系地图以红色标出 21 厘米排放物中的中性氢。这张图不是统一的，而是跟踪最近的电离和原子形成，因为自旋排列的原子翻转的半衰期只有大约 1000 万年：实验室中的时间很长，但与 ~我们银河系有 13+ 亿年的历史。

如果你一直追溯到热大爆炸的早期阶段，在任何恒星形成之前，你会发现宇宙中高达 92% 的原子正是这种氢：带有一个质子和其中的一个电子。一旦中性原子稳定形成——就在大爆炸后几十万年——这些中性氢原子以 50/50 的机会形成对齐自旋和反对齐自旋。形成反结盟的将保持原状；自旋对齐的那些将经历这种自旋翻转跃迁，发射波长为 21 厘米的辐射。

尽管尚未完成，但这为我们提供了一种极富启发性的方法来测量早期宇宙：通过找到富含氢气的气体云，即使是从未形成恒星的气体云，我们也可以寻找这种自旋翻转信号——解释宇宙的膨胀和相应的光的红移——从有史以来最早的时候开始测量宇宙中的原子。我们期望看到的唯一“加宽”线将来自热效应和动力学效应：来自非零温度和发射那些 21 厘米信号的原子的引力引起的运动。

如果发射辐射的粒子完全静止并且处于与绝对零温度无法区分的温度，则任何发射线的宽度将仅由跃迁速度决定。21 厘米的氢线本质上非常窄，但星系中物质的动能运动，以及气体处于非零正温度时产生的热能，都有助于观察到这些线的宽度。

除了这些原始信号之外，每当产生新恒星时，都会产生 21 厘米的辐射。每次发生恒星形成事件时，质量更大的新生恒星都会产生大量紫外线辐射：能量足以电离氢原子的辐射。突然之间，曾经充满中性氢原子的空间现在充满了自由质子和自由电子。

但这些电子最终将再次被质子捕获，当没有足够的紫外线辐射一次又一次地电离它们时，电子将再次沉入基态，在那里它们将具有 50/50 的机会与原子核的自旋对齐或反对齐。

同样，同样的辐射——波长为 21 厘米——会产生，每次我们测量位于特定空间区域的 21 厘米波长时，即使它因宇宙膨胀而发生红移，我们所看到的是最近恒星形成的证据。无论恒星形成发生在哪里，氢都会被电离，每当这些原子变成中性并再次去激发时，这种特定波长的辐射就会持续数千万年。

当氢原子形成时，它有相同的概率使电子和质子的自旋对齐和反对齐。如果它们是反对齐的，则不会发生进一步的跃迁，但如果它们对齐，它们可以量子隧穿进入较低的能量状态，在非常特定且相当长的时间尺度上发射非常特定波长的光子。一旦这个光子红移了足够多的量，它就不能再被吸收并经历这里所示的逆反应。

如果我们有能力在空间的所有方向和所有红移（即距离）上灵敏地绘制出这 21 厘米的发射图，我们就可以从字面上揭示整个宇宙的恒星形成历史，以及恒星的去激发氢原子最初是在热大爆炸之后形成的。通过足够敏感的观察，我们可以回答如下问题：

• 是否有恒星存在于我们能观察到的阈值以下的太空黑暗空隙中，等待它们的去激发态氢原子显露出来？

• 在没有观察到新恒星形成的星系中，恒星形成真的已经结束，还是有低水平的新恒星正在诞生，只是等待从氢原子的这个明显特征中被发现？

• 在第一颗恒星形成之前，是否有任何事件会升温并导致氢电离，是否存在即使是我们最强大的红外天文台也无法直接观测的恒星形成爆发？

通过精确测量所需波长的光——21.106114053 厘米，加上宇宙膨胀产生的任何延长效应——我们可以揭示所有这些问题的答案，甚至更多。事实上，这是LOFAR的主要科学目标之一：低频阵列，它提供了一个强有力的科学案例，可以将这个阵列的升级版本放在月球的无线电屏蔽远侧。

在月球背面建造一个非常大的射电天线，或者在月球背面建造一个射电望远镜阵列，可以实现无与伦比的宇宙无线电观测，包括在最重要的 21 厘米范围内，两者都在附近并且跨越宇宙时间。

当然，在利用这个重要的长度时，还有另一种可能性使我们远远超出天文学：在实验室中创建和测量足够的自旋排列的氢原子，以可控的方式直接检测这种自旋翻转跃迁。这种转变平均需要约 1000 万年才能“翻转”，这意味着我们需要大约千万亿 (10 15 ) 个准备好的原子，保持静止并冷却到低温，不仅要测量发射线，还要测量其宽度。如果存在导致固有线展宽的现象，例如原初引力波信号，那么这样的实验将能够非常显着地揭示它的存在和大小。

在整个宇宙中，只有少数已知的量子跃迁具有氢的超精细自旋翻转跃迁固有的精度，导致发射波长为 21 厘米的辐射。如果我们想确定宇宙中正在进行的和最近的恒星形成，甚至在第一颗恒星形成之前的第一个原子信号，或者宇宙膨胀遗留下来的尚未被发现的引力波的残余强度，很明显 21 厘米过渡是我们在整个宇宙中拥有的最重要的探测器。在许多方面，它是揭开自然界一些最伟大秘密的“神奇长度”。