在之前的文章中，我们介绍了第一批原子是如何从大爆炸的热等离子体中形成的：基本的夸克粒子中凝聚而成的第一批质子和中子，这导致了早期宇宙中主要是氢核和氦核。38 万年后，炽热的宇宙变得足够冷，电子可以与这些原子核结合，因此形成了第一批氢原子和一些氦原子。
通过这种方式，我们得到了一个主要由这两种原子组成的宇宙。更大的原子出现得更晚，数百万年甚至数十亿年后，通过恒星核心的聚变过程和超新星爆炸，形成了许多更重的元素。
但要制造更复杂的结构，特别是像我们这样的生物，需要的不仅仅是原子，更需要复杂的原子组合：分子。这些分子不是在恒星内部产生的，而且必须以完全不同的方式产生。宇宙如何从简单原子到分子？第一个分子是如何形成的？
为什么原子形成分子
要回答这些问题，我们首先必须定义分子的含义。简而言之，当有两个或多个通过化学键连接的原子时，就形成了一个分子。当分子形成时，两个或多个原子形成化学键比保持独立更有利于能量形成。换句话说，由原子组成的系统的总能量可以比单独的原子处于更低的能量状态。如果我们写出氢原子的波函数，我们会看到当它们形成化学键时系统的总能量会变小。
因此当宇宙只有大约 38 万年的历史时，氢分子将是最早形成的分子之一。这些分子今天仍然存在，使它们成为现存最古老的分子之一。但值得注意的是，这些分子不会是第一个形成的分子，有一个分子甚至比氢分子形成得更早。它就是氢化氦，它会在宇宙只有 12 万年时就形成。该分子是一种带正电的离子，由一个与氢原子与一个氦原子组成，其中一个电子被移除。为什么它能首先形成，有一个令人惊讶但非常好的理由。
氢化氦的形成
氢分子只能用氢原子来制造，要形成氢原子，需要一个电子和一个质子。但是，只有在宇宙足够冷却的情况下，电子才能将自己附着在氢核上。这发生在所谓的宇宙重组期，也就是大爆炸后 38 万年，这也是宇宙微波背景形成的点。
氢分子仅在重组后形成，因为在此之前氢原子不可用，而且也不能用两个质子制造一个分子，因为它们相互排斥。但在重组之前，当宇宙只有 12 万年的历史时，氦原子就形成了。为什么它们可以形成得更早？因为氦可以在比氢更高的温度下吸收电子，它是一种更重的元素，具有更高的电离能。从氦中去除一个电子需要更多的能量，所以它倾向于吸引更高能级的电子。
所以它是在宇宙更热时形成的，当时宇宙只有 12 万年的历史。而氢直到宇宙更冷时才形成，当时宇宙有 38 万年的历史。但请记住，在早期的宇宙中，氦原子核的形成数量非常少，这就是为什么我们今天不是一个主要由氦原子组成的宇宙的原因。
较早形成的氦可以与质子结合形成带正电的氢化氦分子，因此这些分子将是第一个形成的。但是，这种分子不能形成任何有用的物质。事实上，它是一种高度反应性的分子，只有在孤立的情况下才能生存。预计这些来自早期宇宙的原始分子在第一个氢分子形成后又存活了大约 5000 年。我们无法确认大爆炸后形成的氢化氦是否全部消失，但从统计学来讲，今天几乎不可能有任何东西留下。
本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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