氢是宇宙中体积最小，质量最轻的分子

物质是由化学元素所组成，目前已知元素有118 种，其中94种是在自然界中存在的，其他是人工合成的。元素起源这一科学问题是在20世纪天体物理学的发展过程中逐步得到解决的。
 

按照宇宙大爆炸标准模型，在大爆炸初期宇宙只是一个极端高温高密的球，其中包含着极大能量。在宇宙极早期，先后形成暗能量和暗物质，这些东西会一直保留到宇宙终结。宇宙大爆炸的能量可产生出成对正物质和反物质，而正物质和反物质又碰在一起而“湮灭”，将能量放出来。开始阶段温度非常高，只有基本粒子，没有任何元素产生。
 

随着宇宙的膨胀，温度不断下降。到了宇宙大爆炸发生后一秒钟时，温度下降到一百亿度，这时成对正物质和反物质都湮灭成了能量，形成了光。由于正物质比反物质略微多了亿分之一，因此宇宙中最终留下了极少量的正物质，就是质子、中子和电子。
 

质子其实就是氢原子核，质子质量1.6726231 × 10-27 kg，用爱因斯坦的质能方程来换算，质子质量是938百万电子伏特，而每一个电子伏特大概相当于1万摄氏度。只要宇宙温度降低到9380 000百万摄氏度的时候，质子就会在宇宙中产生。氦原子核比氢原子核迟到许多，是在宇宙大爆炸后3分钟才开始形成。所以氢原子核的出现要早于氦原子核。元素是由原子核决定的，所以氢先于氦出现。从这个意义上讲，氢元素为宇宙第一元素。
 

但化学家认为，原子更重要，光看原子核不行。原子不但有原子核，还需要结合电子才可以形成原子。出人意料的是，在宇宙大爆炸的早期，氦原子形成要早于氢原子。量子力学能解释为什么氦原子会比氢原子更早出现，氦离子He2+和He+具有比H+更高的电离势，所以它们可以率先与自由电子结合，形成第一个中性原子。说半天其实就是氦原子比氢原子稳定。
 

有了氢与氦，相当于宇宙有了形成物质的原料，后面的故事就更多了。这些材料间的第一次化学反应是怎样进行的，它的产物是什么?
 

20世纪70年代，有天文学家提出，中性氦原子与质子结合形成氦合氢离子(HeH+)，是宇宙化学反应的开端。
 

 

按照分子产生的早晚，氢气应该是最早的分子。HeH+就是一个氦原子结合一个质子形成的。这叫做分子离子，它看起来像分子，但其实是一个离子。但HeH+确实比氢分子更早在宇宙中出现，所以在理论上它是宇宙中第一个分子离子。严格意义上说，这并不是正常的分子，而是一种离子。符合分子定义的仍然应该是氢气。所以说，氢气是宇宙最早的分子。
 

这种宇宙最早的化合物氦合氢离子(HeH+)，几十年前就被科学家提出，但科学家一直无法证实该物质确实存在于宇宙环境。最新《自然》杂志中，科学家从行星状星云NGC7027中探测到HeH+，这是人们首次在宇宙中探测到这种离子。这一发现证明了几十年前科学家提出的假说。
 

1925年，化学家霍格内斯与伦恩在地球实验室合成出这种分子离子。但在宇宙中，科学家始终没有发现HeH+的踪迹。2019年4月17日，美国航空航天局与德国航空航天中心的联合项目同温层红外观测台(SOFIA)的高分辨率GREAT分光仪，检测到HeH+发射的红外线。这一结果发表在《自然》杂志上。这些分光仪的数据是在2016年5月SOFIA在飞机上飞行3次后得到的。通过这些数据可以分析出NGC 7027星云中存在HeH+。
 

HeH+是由氦原子和质子构成，而在这个结构中质子是完全裸露的，这使HeH+能够结合任何与它碰撞的物质分子中的电子——这就表现出极大的酸性。这种强大的吸引电子的能力，也可以说具有极大的氧化性。
 

氢元素是宇宙元素不仅是因为最早产生，而且是组成宇宙物质的主要成分超过70%，而且本质上其他元素都含有质子，也就是说一切元素都含有氢原子，质子或氢原子核是宇宙的材料。
 

氢是宇宙第一是不会被颠覆的。