在之前的文章中，我們介紹了第一批原子是如何從大爆炸的熱等離子體中形成的：基本的夸克粒子中凝聚而成的第一批質(zhì)子和中子，這導(dǎo)致了早期宇宙中主要是氫核和氦核。38 萬年后，熾熱的宇宙變得足夠冷，電子可以與這些原子核結(jié)合，因此形成了第一批氫原子和一些氦原子。
通過這種方式，我們得到了一個主要由這兩種原子組成的宇宙。更大的原子出現(xiàn)得更晚，數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年后，通過恒星核心的聚變過程和超新星爆炸，形成了許多更重的元素。
但要制造更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是像我們這樣的生物，需要的不僅僅是原子，更需要復(fù)雜的原子組合：分子。這些分子不是在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的，而且必須以完全不同的方式產(chǎn)生。宇宙如何從簡單原子到分子？第一個分子是如何形成的？
為什么原子形成分子
要回答這些問題，我們首先必須定義分子的含義。簡而言之，當(dāng)有兩個或多個通過化學(xué)鍵連接的原子時，就形成了一個分子。當(dāng)分子形成時，兩個或多個原子形成化學(xué)鍵比保持獨立更有利于能量形成。換句話說，由原子組成的系統(tǒng)的總能量可以比單獨的原子處于更低的能量狀態(tài)。如果我們寫出氫原子的波函數(shù)，我們會看到當(dāng)它們形成化學(xué)鍵時系統(tǒng)的總能量會變小。
因此當(dāng)宇宙只有大約 38 萬年的歷史時，氫分子將是最早形成的分子之一。這些分子今天仍然存在，使它們成為現(xiàn)存最古老的分子之一。但值得注意的是，這些分子不會是第一個形成的分子，有一個分子甚至比氫分子形成得更早。它就是氫化氦，它會在宇宙只有 12 萬年時就形成。該分子是一種帶正電的離子，由一個與氫原子與一個氦原子組成，其中一個電子被移除。為什么它能首先形成，有一個令人驚訝但非常好的理由。
氫化氦的形成
氫分子只能用氫原子來制造，要形成氫原子，需要一個電子和一個質(zhì)子。但是，只有在宇宙足夠冷卻的情況下，電子才能將自己附著在氫核上。這發(fā)生在所謂的宇宙重組期，也就是大爆炸后 38 萬年，這也是宇宙微波背景形成的點。
氫分子僅在重組后形成，因為在此之前氫原子不可用，而且也不能用兩個質(zhì)子制造一個分子，因為它們相互排斥。但在重組之前，當(dāng)宇宙只有 12 萬年的歷史時，氦原子就形成了。為什么它們可以形成得更早？因為氦可以在比氫更高的溫度下吸收電子，它是一種更重的元素，具有更高的電離能。從氦中去除一個電子需要更多的能量，所以它傾向于吸引更高能級的電子。
所以它是在宇宙更熱時形成的，當(dāng)時宇宙只有 12 萬年的歷史。而氫直到宇宙更冷時才形成，當(dāng)時宇宙有 38 萬年的歷史。但請記住，在早期的宇宙中，氦原子核的形成數(shù)量非常少，這就是為什么我們今天不是一個主要由氦原子組成的宇宙的原因。
較早形成的氦可以與質(zhì)子結(jié)合形成帶正電的氫化氦分子，因此這些分子將是第一個形成的。但是，這種分子不能形成任何有用的物質(zhì)。事實上，它是一種高度反應(yīng)性的分子，只有在孤立的情況下才能生存。預(yù)計這些來自早期宇宙的原始分子在第一個氫分子形成后又存活了大約 5000 年。我們無法確認(rèn)大爆炸后形成的氫化氦是否全部消失，但從統(tǒng)計學(xué)來講，今天幾乎不可能有任何東西留下。
本文來自微信公眾號：萬象經(jīng)驗 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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