物質(zhì)是由化學(xué)元素所組成，目前已知元素有118 種，其中94種是在自然界中存在的，其他是人工合成的。元素起源這一科學(xué)問題是在20世紀(jì)天體物理學(xué)的發(fā)展過程中逐步得到解決的。
 

按照宇宙大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型，在大爆炸初期宇宙只是一個(gè)極端高溫高密的球，其中包含著極大能量。在宇宙極早期，先后形成暗能量和暗物質(zhì)，這些東西會(huì)一直保留到宇宙終結(jié)。宇宙大爆炸的能量可產(chǎn)生出成對(duì)正物質(zhì)和反物質(zhì)，而正物質(zhì)和反物質(zhì)又碰在一起而“湮滅”，將能量放出來。開始階段溫度非常高，只有基本粒子，沒有任何元素產(chǎn)生。
 

隨著宇宙的膨脹，溫度不斷下降。到了宇宙大爆炸發(fā)生后一秒鐘時(shí)，溫度下降到一百億度，這時(shí)成對(duì)正物質(zhì)和反物質(zhì)都湮滅成了能量，形成了光。由于正物質(zhì)比反物質(zhì)略微多了億分之一，因此宇宙中最終留下了極少量的正物質(zhì)，就是質(zhì)子、中子和電子。
 

質(zhì)子其實(shí)就是氫原子核，質(zhì)子質(zhì)量1.6726231 × 10-27 kg，用愛因斯坦的質(zhì)能方程來換算，質(zhì)子質(zhì)量是938百萬電子伏特，而每一個(gè)電子伏特大概相當(dāng)于1萬攝氏度。只要宇宙溫度降低到9380 000百萬攝氏度的時(shí)候，質(zhì)子就會(huì)在宇宙中產(chǎn)生。氦原子核比氫原子核遲到許多，是在宇宙大爆炸后3分鐘才開始形成。所以氫原子核的出現(xiàn)要早于氦原子核。元素是由原子核決定的，所以氫先于氦出現(xiàn)。從這個(gè)意義上講，氫元素為宇宙第一元素。
 

但化學(xué)家認(rèn)為，原子更重要，光看原子核不行。原子不但有原子核，還需要結(jié)合電子才可以形成原子。出人意料的是，在宇宙大爆炸的早期，氦原子形成要早于氫原子。量子力學(xué)能解釋為什么氦原子會(huì)比氫原子更早出現(xiàn)，氦離子He2+和He+具有比H+更高的電離勢(shì)，所以它們可以率先與自由電子結(jié)合，形成第一個(gè)中性原子。說半天其實(shí)就是氦原子比氫原子穩(wěn)定。
 

有了氫與氦，相當(dāng)于宇宙有了形成物質(zhì)的原料，后面的故事就更多了。這些材料間的第一次化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的，它的產(chǎn)物是什么?
 

20世紀(jì)70年代，有天文學(xué)家提出，中性氦原子與質(zhì)子結(jié)合形成氦合氫離子(HeH+)，是宇宙化學(xué)反應(yīng)的開端。
 

按照分子產(chǎn)生的早晚，氫氣應(yīng)該是最早的分子。HeH+就是一個(gè)氦原子結(jié)合一個(gè)質(zhì)子形成的。這叫做分子離子，它看起來像分子，但其實(shí)是一個(gè)離子。但HeH+確實(shí)比氫分子更早在宇宙中出現(xiàn)，所以在理論上它是宇宙中第一個(gè)分子離子。嚴(yán)格意義上說，這并不是正常的分子，而是一種離子。符合分子定義的仍然應(yīng)該是氫氣。所以說，氫氣是宇宙最早的分子。
 

這種宇宙最早的化合物氦合氫離子(HeH+)，幾十年前就被科學(xué)家提出，但科學(xué)家一直無法證實(shí)該物質(zhì)確實(shí)存在于宇宙環(huán)境。最新《自然》雜志中，科學(xué)家從行星狀星云NGC7027中探測(cè)到HeH+，這是人們首次在宇宙中探測(cè)到這種離子。這一發(fā)現(xiàn)證明了幾十年前科學(xué)家提出的假說。
 

1925年，化學(xué)家霍格內(nèi)斯與倫恩在地球?qū)嶒?yàn)室合成出這種分子離子。但在宇宙中，科學(xué)家始終沒有發(fā)現(xiàn)HeH+的蹤跡。2019年4月17日，美國航空航天局與德國航空航天中心的聯(lián)合項(xiàng)目同溫層紅外觀測(cè)臺(tái)(SOFIA)的高分辨率GREAT分光儀，檢測(cè)到HeH+發(fā)射的紅外線。這一結(jié)果發(fā)表在《自然》雜志上。這些分光儀的數(shù)據(jù)是在2016年5月SOFIA在飛機(jī)上飛行3次后得到的。通過這些數(shù)據(jù)可以分析出NGC 7027星云中存在HeH+。
 

HeH+是由氦原子和質(zhì)子構(gòu)成，而在這個(gè)結(jié)構(gòu)中質(zhì)子是完全裸露的，這使HeH+能夠結(jié)合任何與它碰撞的物質(zhì)分子中的電子——這就表現(xiàn)出極大的酸性。這種強(qiáng)大的吸引電子的能力，也可以說具有極大的氧化性。
 

氫元素是宇宙元素不僅是因?yàn)樽钤绠a(chǎn)生，而且是組成宇宙物質(zhì)的主要成分超過70%，而且本質(zhì)上其他元素都含有質(zhì)子，也就是說一切元素都含有氫原子，質(zhì)子或氫原子核是宇宙的材料。
 

氫是宇宙第一是不會(huì)被顛覆的。