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，氢气中会发生一种特殊的转变，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。尽管光以光子单个量子的形式来到我们身边，这些量子共同构成了我们所知的光现象，但仍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，其中一些光子的波长恰好会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。
氢原子中的电子跃迁，以及由此产生的光子的波长，展示了结合能的影响以及量子物理学中电子与质子之间的关系。氢的最强跃迁是莱曼-α（n=2 到 n=1），但它的第二强是可见的：巴尔默-α（n=3 到 n=2）
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什么和禁止什么的规则，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，在超精细结构中，原子核的自旋和围绕它运行的电子之一以“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 的机会使电子和质子的自旋对齐，这些原子中的一半将能够量子隧道进入反对齐状态，在此过程中发射 21 厘米
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。该图不是统一的，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。
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无线电天线，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。因为转变平均需要大约 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，还要测量宽度它的。如果存在导致内在线展宽的现象，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伴随着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”。
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