Всеми ядерными, атомными и молекулярными явлениями в нашей Вселенной управляют квантовые переходы. В отличие от планет Солнечной системы, способных стабильно перемещаться по орбите вокруг Солнца на любом расстоянии при подходящей скорости, протоны, нейтроны и электроны, составляющие всю известную нам материю, могут объединяться друг с другом только в ограниченном множестве конфигураций. Эти комбинации хотя и многочисленны, но конечны в своём числе, потому что квантовые законы, управляющие электромагнетизмом и ядерными силами, ограничивают способы выстраивания структур атомных ядер и электронов.

Самый распространённый атом во всей Вселенной — это водород, состоящий всего из одного протона и одного электрона. В процессе формирования новых звёзд атомы водорода ионизируются и снова становятся нейтральными, если эти свободные электроны смогут вернуться к свободному протону. Хотя электроны обычно переходят между допустимыми энергетическими уровнями вплоть до невозбуждённого состояния, при этом генерируется только конкретное множество инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения. Но важнее то, что в водороде происходит особый переход, излучающий свет с длиной волны примерно с вашу ладонь: 21 сантиметров. Физики имеют полное право называть это значение «магической длиной» нашей Вселенной; возможно, это число когда-нибудь раскроет нам самые тёмные секреты, таящиеся в самых глубинах космоса, которые никогда не сможет покинуть звёздный свет.

Длина волны — это свойство, позволяющее определять способ генерации света. Хотя свет поступает к нам в виде фотонов — отдельных квантов, которые суммарно составляют явление, которое мы называем светом — существует два очень различающихся класса квантовых процессов, создающих окружающий нас свет: непрерывный и дискретный.

Непрерывный процесс — это, например, свет, испускаемый фотосферой Солнца. Тёмный объект, нагретый до определённой температуры, излучает свет на различных непрерывных длинах волн, зависящих от его температуры. Физики называют это излучением абсолютно чёрного тела. Точнее, поскольку разные слои фотосферы имеют разные температуры, солнечный спектр похож на сумму серии абсолютно чёрных тел, то есть комбинацию непрерывных процессов.

Дискретный процесс не допускает излучения света в непрерывном множестве длин волн, а происходит на очень конкретных дискретных длинах. Хороший пример этого — свет, поглощаемый нейтральными атомами, которые находятся в самых крайних слоях Солнца. Когда излучение абсолютного чёрного тела из нижних слоёв падает на находящиеся на поверхности нейтральные атомы, часть этих фотонов имеет длины волн, идеально подходящие для поглощения электронов в нейтральных атомах, с которыми они столкнулись. Если разбить солнечный свет на отдельные длины волн, то мы увидим разные линии поглощения, на фоне которых находится непрерывное излучение чёрного тела.

Свойства каждого отдельного атома в основном зависят от его ядра, составленного из протонов (которые определяют его заряд) и нейтронов (которые в сочетании с протонами определяют его массу). В атомах также есть электроны, находящиеся на орбите ядра на расстоянии, определяемом их соотношением заряда к массе; каждый электрон может занимать ограниченное множество энергетических уровней. Каждый электрон по отдельности приходит к основному состоянию, при котором электроны опускаются вниз, пока не достигнут самых низких возможных энергетических уровней, ограниченных только квантовыми законами, определяющими различные свойства, которыми могут и не могут обладать электроны.

Электроны могут занимать основное состояние атома (орбиталь 1s), способное содержать два электрона, пока оно не заполнится. Следующий энергетический уровень выше состоит из сферической (2s) и перпендикулярной (2p) орбиталей, каждая из которых может содержать, соответственно, два и шесть электронов. Третий энергетический уровень может содержать до 18 электронов: 3s (с двумя), 3p (с шестью) и 3d (с десятью), и такой паттерн продолжается выше. В общем случае, переходы «наверх» происходят при поглощении фотона с определённой длиной волны, а переходы «вниз» могут происходить спонтанно, приводя к излучению фотонов на тех же самых длинах волн, которые присутствуют в спектре поглощения атома.

Это базовая структура атома. Например, когда выполняется переход с третьего энергетического уровня на второй в атоме водорода, создаётся красный фотон с длиной волны ровно 656,3 нанометра, находящейся в видимом диапазоне человеческого глаза.

Однако существуют крайне незначительные различия между точными длинами волн фотона, испускаемого при переходе:

• с третьего энергетического уровня вниз на орбиталь 2s или 2p,

• с энергетического уровня, на котором вращающий момент спина и орбитали однонаправлены, на уровень, где они направлены противоположно,

• с уровня, на котором спин ядра и спин электрона однонаправлены, на уровень, где они направлены противоположно.

Существуют и законы того, что допустимо и что запрещено в квантовой механике, а также того, что электрон может выполнить переход с d-орбитали на s-орбиталь или на p-орбиталь, и с s-орбитали на p-орбиталь, но не с s-орбитали на другую s-орбиталь.

Небольшие различия в энергии, возникающие при переходах между разными типами орбиталей на одном энергетическом уровне, называются тонкой структурой атома; они возникают вследствие взаимодействия спина каждой частицы в атоме и орбитального вращающего момента электронов вокруг ядра. Они вызывают сдвиг длин волн менее 0,1%: это очень мало по сравнению с базовой структурой атома, но такие сдвиги всё равно фиксируемы оборудованием и значимы.

Однако из-за странного явления, возникающего в квантовой механике, иногда могут возникать даже «запрещённые» переходы. Такие переходы могут происходить из-за явления квантового туннелирования, при котором квантовое состояние может выполнить спонтанный переход в другое квантовое состояние с более низкой энергией. Да, выполнить переход с s-орбитали на другую s-орбиталь напрямую нельзя, зато можно:

• перейти с s-орбитали на p-орбиталь, а затем обратно на s-орбиталь,

• перейти с s-орбитали на d-орбиталь, а затем обратно на s-орбиталь,

• или, если говорить в общем, переходить с s-орбитали в любое другое допустимое состояние, а затем обратно на s-орбиталь.

Единственная странность квантового туннелирования заключается в том, что «реального» перехода в промежуточное состояние не происходит. Для реальных переходов нужна энергия, и даже при недостатке энергий по законам квантовой физики промежуточного состояния можно избежать. Такое случается, когда переходы происходят виртуально (а не реально); при этом мы видим только, что конечное состояние возникает из исходного: без квантового туннелирования это было бы невозможно.

Это позволяет нам перейти от простой «базовой структуры» и «тонкой структуры» к изучению так называемой «сверхтонкой структуры». Сверхтонкая структура возникает, когда спин ядра атома и одного из его электронов изначально находятся в однонаправленном состоянии, даже несмотря на то, что электрон находится в основном состоянии с наименьшей энергией (1s), и происходит переход в состояние, в котором спины направлены противоположно.

Если спины направлены в противоположных направлениях, то это истинное состояние с наименьшей энергией; больше не существует известных переходов, которые бы привели к излучению энергии. Но если спины однонаправлены, то это состояние с чуть более высокой энергией, чем в случае с противоположной направленностью. Атом водорода, у электрона и протона которых направление спинов совпадает, вполне может при помощи квантового туннелирования перейти в состояние противоположной направленности. Даже несмотря на то, что прямой процесс перехода «запрещён», туннелирование позволяет напрямую перейти из начальной точки в конечную, испустив при этом протон.

Этот переход из-за своей «запретности» требует очень длительного времени: в среднем приблизительно десять миллионов лет для атома. Однако такой долгий срок жизни в состоянии небольшого возбуждения в однонаправленном атоме водорода имеет преимущество: излучение фотона с длиной волны 21 сантиментов и частотой 1420 МГц крайне узкое. На самом деле, это самая узкая и точная линия перехода из известных во всей атомной и ядерной физике!

Если бы вернулись к ранним этапам горячего Большого взрыва, к моменту, когда ещё не образовались звёзды, то обнаружили бы, что аж целых 92% атомов Вселенной были именно этой разновидностью водорода, с одним протоном и одним электроном. (В настоящее время, после того, как спустя 13,8 миллиарда лет образовались все звёзды, это количество снизилось «всего» до 90% от всех атомов.) Как только стабильно сформировались нейтральные атомы (спустя всего сотню тысяч лет после Большого взрыва), эти нейтральные атомы водорода формировались с вероятностью 1/2 с однонаправленными или противоположно направленными спинами. Образовавшиеся с противоположно направленными спинами, останутся такими же; те же, у которых спины были однонаправленны, подвергнутся переходу смены спина, испуская излучение с длиной волны 21 сантиметра.

Хотя человечество ещё такого никогда не делало, это предоставит нам привлекательный способ исследования ранних стадий Вселенной. Если мы сможем найти облако газа, насыщенного водородом, даже если оно никогда не образовывало звёзды, то у нас получится найти его сигнал смены направления спина (с учётом расширения Вселенной и соответствующего красного сдвига), чтобы измерить атомы Вселенной самых ранних её этапов. Единственное «расширение» линии, которое мы ожидаем увидеть, будет связано с тепловыми и кинетическими эффектами: от ненулевой температуры и вызванного гравитацией движения атомов, испускающих эти 21-сантиметровые сигналы.

Кроме этих первичных сигналов, 21-сантиметровое излучение генерируется вследствие образования новых звёзд. Каждый раз, когда происходит событие образования звезды, более массивная новорождённая звезда испускает большие объёмы ультрафиолетового излучения, обладающего достаточной для ионизации атомов водорода энергией. Совершенно внезапно пространство, когда-то наполненное нейтральными атомами водорода, оказывается наполненным свободными протонами и свободными электронами.

Но эти электроны не останутся ионизированными навечно; если в межзвёздной среде, где они находятся, есть достаточно свободных ядер атомов (то есть протонов), их рано или поздно снова захватят эти протоны. После смерти самых массивных звёзд становится недостаточно ультрафиолетового излучения для продолжения многократной их ионизации, и электроны снова приходят в основное состояние, в котором они имеют вероятность 1/2 совпасть или не совпасть по направлению спина с ядром атома.

То же самое излучение с длиной волн 21 сантиметра создаётся на временной шкале примерно в 10 миллионов лет. Каждый раз, когда мы замеряем эту длину волн, локализованную в определённой области пространства, даже если произошло её красное смещение расширением Вселенной, то это оказывается свидетельством недавнего образования звёзд. Когда происходит образование звёзд, водород ионизируется, а когда эти атомы становятся нейтральными и теряют возбуждение, излучение на этой конкретной длине волн сохраняется в течение десятков миллионов лет.

Если бы у нас была возможность с достаточной точностью составить карту этих 21-сантиметровых излучений во всех направлениях и при всех красных смещениях (то есть расстояниях) в космосе, то можем в буквальном смысле открыть историю образования звёзд всей Вселенной, а также перехода в невозбуждённое состояние атомов водорода, образовавшихся вследствие горячего Большого взрыва. При достаточно чутких наблюдениях мы могли бы ответить на следующие вопросы:

• Существуют ли звёзды в тёмной пустоте космоса ниже порога чувствительности наших приборов, которые можно было бы обнаружить по переходу атомов водорода в невозбуждённое состояние?

• В галактиках, где не наблюдается образование новых звёзд, действительно ли оно завершилось на самом деле, или есть более низкие уровни новых рождающихся звёзд, которые мы сможем открыть только благодаря атомам водорода?

• Существуют ли события, повышающие температуру и приводящие к ионизации водорода до образования первых звёзд, и есть ли всплески образования звёзд, не обнаруживаемые даже нашими самыми мощными инфракрасными наблюдениями?

Замерив свет с ровно необходимой длиной волны, с пиком ровно в 21,106114053 сантиметра плюс эффекты растяжения, возникающие из расширения Вселенной, мы сможем найти ответы на эти и другие вопросы. Это одна из основных научных целей радиоинтерферометра LOFAR, а также веский научный довод для создания увеличенной версии этой низкочастотной антенной решётки на радиоэкранированной обратной стороне Луны.

Разумеется, мы можем использовать эту важную длину для расширения возможностей традиционной астрономии и иным образом: можно создавать в лабораториях атомы водорода с однонаправленными спинами для наблюдения за этими переходами смены спинов напрямую, в контролируемой среде. В среднем для смены спина требуется примерно 10 миллионов лет, то есть нам понадобится примерно квадриллион (10¹⁵) подготовленных атомов, находящихся в покое и охлаждённых до криогенных температур, чтобы замерить не только линию излучения, но и её ширину. Если существует явление, вызывающее неотъемлемое расширение линии, например первичный сигнал гравитационных волн, то такой эксперимент позволит обнаружить его существование и величину.

Во всей Вселенной есть лишь несколько известных квантовых переходов с точностью, свойственной сверхтонкому переходу смены направления спина водорода, приводящих к излучению с длиной волн 21 сантиметров. Если мы хотим обнаруживать:

• происходящие и недавно завершившиеся процессы образования звёзд во Вселенной,

• первые атомные сигналы, возникшие ещё до формирования первых звёзд,

• или реликтовую силу ещё не обнаруженных гравитационных волн, оставшихся по от космической инфляции,

то 21-сантиметровый переход становится самым важным способом исследования во всём космосе. Во многих смыслах, эта «магическая длина» необходима для обнаружения величайших секретов природы и способна приблизить нас к Большому взрыву больше, чем исследование любых звёзд или галактик.