原子鐘與宇宙常數：透過氫輻射測量光速的新方法

現代科學在計量學領域邁向了新的里程碑，利用原子鐘作為校準基礎物理常數的工具。最近的研究集中在一個狹窄的頻率範圍內測量光速，該範圍與冷氫原子發出的波長為 21 公分的輻射緊密相關。這項技術不僅能精確地確定光速，還能更深入地探究控制宇宙膨脹的機制，以及電磁相互作用的強度——後者由精細結構常數（通常以 $\alpha$ 表示）所表徵。

這項實驗的核心在於分析氫原子基態的兩個超精細能階之間躍遷時所產生的輻射。這種躍遷被稱為「21 公分譜線」，是射電天文學的基石。這是因為中性氫原子構成了星際物質的絕大部分，據估計，它佔據了星系中所有氫原子的約 80%。這種輻射的頻率大約是 1420 兆赫（或 1.42 GHz）。科學家們正致力於以前所未有的精確度計算精細結構常數的數值，這個無量綱的數值決定了電磁相互作用的強度。

精細結構常數若在時間或空間上出現任何波動，都可能需要我們重新審視既有的宇宙學模型。因此，對該常數的研究具有關鍵性的意義，因為它檢驗了物理定律在數十億年來保持不變的假設。現有的科學數據，例如透過分析來自遙遠類星體的光線所獲得的結果，涵蓋了長達 130 億年的時間跨度，以及證實了在過去 30 億年內，其變化精確度在百萬分之一以內的相關研究，都支持了該常數的穩定性。然而，像蘭道（Landau）和伽莫夫（Gamov）等物理學家曾探討過基本常數潛在可變性的想法，這為我們提供了一個視角，去觀察在宇宙初期電磁力是如何演變的。

選擇 21 公分譜線的原因是它在宇宙中普遍存在。儘管單個原子自發躍遷的機率極低——平均每 1100 萬年才發生一次——但由於宇宙雲中存在著數量龐大的原子，這確保了足夠的輻射強度，使其能夠在極遠的距離上被偵測到。原子鐘的應用提供了必要的計量純度，以排除可能扭曲先前結果的儀器誤差。這類精確測量如同反映現實結構和諧的晴雨表。追求光速和精細結構常數的極致精確測量，是對知識負責的行動，有助於我們描繪出更清晰的宇宙演化圖景。