宇宙演化的历史就像一本用隐形墨水印刷的图集：人类现在有幸看到了宇宙神秘的开篇（即宇宙物质分布的初始状态）和精彩的现状，但是中间漫长的演化历史对我们来说仍然是空白。人类只能通过演绎法推测中间的过程。21厘米谱线观测就好像是显形灯，让那些空白页露出庐山真面目，人类将可以直观地翻看宇宙波澜壮阔的演化图集。这一天离我们已经不远了。
01 21厘米谱线的发现我们先讲个小故事吧。
历史上，谱线大多是先在太阳的光谱中发现，然后在实验室里找到对应的元素，最后在理论上得到解释的。21厘米谱线大概是唯一一条先有理论预言后有天文观测的谱线。这段历史还要回溯到二十世纪三十年代，那时人们注意到存在一些以天为周期变化的无线电波“咝声”，它们来自银河系中心。荷兰莱顿天文台的简·奥特敏锐地意识到，如果光谱中存在射电波段的发射线，将对天文学是巨大的推动。
他将寻找这条谱线的任务交给了他的学生亨瑞克·范德赫尔斯特。后者于1944年发表了一篇论文，在理论上预言了21厘米谱线的存在，可他在论文里也怀疑到底能不能观测到。但是，本着“自己挖的坑，含着泪也要填完”的精神，这些荷兰天文学家在奥特的领导下开始进行天文观测中的寻找。
几年后，在大西洋彼岸的美国哈佛大学，爱德华·帕塞尔和他的学生哈罗德·伊文也开始打21厘米谱线的主意。
这两位美国人天真地认为悲观的荷兰人可能不会真的去找这条线。说干就干，帕塞尔负责拉钱，马上从美国艺术与科学院申请到了一笔500美元的经费，这笔钱全部用来造了接收天线、波导和电子配件，而人工当然就是伊文先生来出了，那时候他还不是博士。1951年3月25日，伊文和帕塞尔第一次成功地观测到了来自银河系的氢原子21厘米发射线！如果考虑到伊文主要利用周末做这个项目，他实际的工作时间只有3个多月！
02 什么是21厘米谱线？那么到底什么是21厘米谱线呢？我们通常说氢原子的基态能量是-13.6 eV，但是如果你把以1 eV为单位的能级图放大一百万倍，你会发现氢原子的基态其实是两条能级！由于氢原子核自旋与电子自旋之间有微弱的耦合作用，两个自旋平行的状态比反平行的状态要有稍微多一点点的能量。
氢原子在这两条非常接近的能级之间的跃迁会发出或吸收一个波长在21厘米（对应频率是1.4 GHz）的光子，在光谱中留下21厘米发射线或吸收线。
21厘米谱线在实验室里是很难看到的，因为它的自发跃迁几率实在是太低了。在没有外界影响下，氢原子处在自旋平行的高能级上的平均寿命为一千万年。
在宇宙中，物质的密度是相当低的，比如在银河系的旋臂内，氢原子密度为每立方厘米1到10个，然而宇宙实在是太大了，即使在星系之间的稀薄气体里，一立方光年这样“小”的体积里也能有10^47个氢原子，21厘米谱线自发跃迁可以每秒发生10^32次，足以使我们观测到这条谱线。
03 宇宙空白的历史
21厘米谱线被发现后马上就在射电天文观测上得到了广泛的应用。比如，1952年，21厘米谱线观测第一次绘出了银河系内的中性氢分布图，从而发现了银河系的旋臂结构。此外，射电天文学家利用21厘米谱线的多普勒红移效应测量气体云团的视向速度，利用塞曼效应测量星系内的磁场，等等。但是21厘米谱线在宇宙学上的应用才刚刚开始。
04 21厘米宇宙学观测的现状及未来
21厘米宇宙学就是用21厘米谱线去研究宇宙演化历史的宇宙学分支。做为一个新兴的方向，无论是理论还是观测，它都还处在萌芽期。由于来自宇宙再电离时代的21厘米信号非常微弱，望远镜需要有很大的接收面积和很高的角分辨率，因此满足这两个条件的望远镜都采用综合孔径技术，即用许多小天线集成庞大的综合孔径射电干涉望远镜阵列。
05 21厘米宇宙学的展望
目前最成熟的宇宙学方向是宇宙微波背景辐射，但是它的发展也经历了一个缓慢的准备期。今天的21厘米宇宙学研究就像COBE升空前的宇宙微波背景辐射研究，还处在方兴未艾的阶段。无论从理论还是观测上，21厘米宇宙学都有很多的问题要解决。然而，一旦获得观测上的突破，21厘米宇宙学将迎来激动人心的大发展阶段。