在美國(guó)加州帕洛阿爾托之上的丘陵中，物理學(xué)家們?yōu)槭澜缟献羁斓碾娮咏ㄔ炝艘粋€(gè)“極端超越障礙訓(xùn)練場(chǎng)”。首先，他們將粒子在一個(gè)長(zhǎng)約3公里的真空管道內(nèi)加速到接近光速，然后，讓這些電子猛然撞擊一段磁鐵，這會(huì)導(dǎo)致這些電子發(fā)生強(qiáng)烈的扭曲，最終爆發(fā)出強(qiáng)烈的X射線暴，強(qiáng)度之大足以穿透鋼板。

　 　XFEL：一項(xiàng)具有顛覆性的技術(shù)

 　　不過(guò)，在SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行這項(xiàng)研究的科學(xué)家們對(duì)武器并不感興趣，他們操作的這臺(tái)機(jī)器是全球功能最強(qiáng)大的X射線自由電子激光器（XFEL）之一，它也是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具。

 　　結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們尤其能從XFEL那兒獲益良多，SLAC的激光器發(fā)出的X射線脈沖短到足以捕獲分子運(yùn)動(dòng)類(lèi)似閃光燈的圖像；這些脈沖也稠密到足以為生物分子集群成像—采用傳統(tǒng)方法無(wú)法做到這一點(diǎn)。因此，XFEL讓生物學(xué)家們擁有了新的方法，能篩查出潛在的藥物標(biāo)靶；探測(cè)光合作用分子的機(jī)制等。

 　　“毫無(wú)疑問(wèn)，XFEL是一項(xiàng)具有顛覆性的技術(shù)，它徹底改變了人們做研究的方式。”SLAC機(jī)器科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)委員、芝加哥大學(xué)的結(jié)晶學(xué)家凱斯·莫法特說(shuō)。

  　　但XFEL也備受爭(zhēng)議，尤其是SLAC這臺(tái)名為“直線加速器連貫光源（LCLS）”機(jī)器，更是紛爭(zhēng)不斷。LCLS是全球首臺(tái)也是最大的XFEL。2002年，盡管諸多科學(xué)家頻頻質(zhì)疑，但美國(guó)能源部仍對(duì)這一項(xiàng)目開(kāi)了綠燈。當(dāng)時(shí)，很多人懷疑：即使假設(shè)這個(gè)還未經(jīng)證實(shí)的技術(shù)真能工作，其未來(lái)提供的科學(xué)回報(bào)值得投入4.14億美元嗎？

  　　莫法特表示，自從2009年，LCLS開(kāi)始工作，這些擔(dān)心就慢慢偃旗息鼓了。莫法特說(shuō)：“這項(xiàng)研究起作用了，就像我們所說(shuō)的那樣，按期工作，而且費(fèi)用也在預(yù)算內(nèi)。”

 　　目前，美國(guó)能源部正計(jì)劃建造一臺(tái)升級(jí)版的“LCLS二代”，該設(shè)備計(jì)劃于到2018年投入使用，其能同時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)量將為現(xiàn)在的3倍。另外，去年11月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)承諾，將在接下來(lái)的5年內(nèi)，投資2500萬(wàn)美元，用于資助采用X射線自由電子激光器的生物研究中心（BioXFEL），這一研究中心位于紐約布法羅大學(xué)，主要宗旨是推動(dòng)X射線結(jié)晶學(xué)在多項(xiàng)前沿領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位：從改進(jìn)納米晶體的準(zhǔn)備工作到實(shí)時(shí)觀察蛋白質(zhì)同其他化合物之間的相互作用等。

 　　在接下來(lái)的幾年內(nèi)，全球在XFEL上的投入將達(dá)到數(shù)十億美元。但這些機(jī)器要想發(fā)揮最大的潛能，還有很多技術(shù)障礙需要克服，包括提升其能量和發(fā)射出的光束的亮度以及如何處理它們產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)等。

　　“LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)的新機(jī)器

 　　“LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)出來(lái)的其他新機(jī)器會(huì)給研究人員提供很多機(jī)會(huì)。例如，自從2011年開(kāi)始，位于日本的、全球最短波長(zhǎng)的XFEL研究設(shè)備—SACLA就已開(kāi)足馬力。利用專門(mén)建造的緊湊型加速器，SACLA發(fā)射出的光束的亮度和能級(jí)為L(zhǎng)CLS的6倍。歐洲多家研究機(jī)構(gòu)希望能于2015年攜手完成總投入高達(dá)16億美元的歐洲版XFEL，目前這臺(tái)設(shè)備正在德國(guó)漢堡緊鑼密鼓地建造，其亮度與SACLA相當(dāng)，但能級(jí)更高。

 　　亞利桑那州立大學(xué)的生物化學(xué)家佩特拉·弗洛姆對(duì)于歐洲設(shè)備的脈沖率非常興奮。LCLS每秒鐘能夠發(fā)射出120個(gè)脈沖，這聽(tīng)起來(lái)很多，但納米晶體噴射器每秒鐘會(huì)噴射出1萬(wàn)個(gè)液滴，而歐洲XFEL每秒將產(chǎn)生2.7萬(wàn)個(gè)脈沖，這將不僅使科學(xué)家們能避免浪費(fèi)99%昂貴且很難制造的納米晶體，也使這臺(tái)機(jī)器能讓更多人使用。弗洛姆說(shuō)：“借用這臺(tái)設(shè)備，在5到10秒鐘而非5到10小時(shí)內(nèi)，你就可以得到數(shù)百萬(wàn)個(gè)衍射圖案。”

     但弗洛姆也表示，脈沖速度的增加只會(huì)在系統(tǒng)能捕獲和處理海量數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)生。目前探測(cè)器最高的速度約為每秒鐘發(fā)射3000個(gè)衍射圖案，這一速度亟須提高，計(jì)算機(jī)的性能也需要提高。他說(shuō)：“目前，在單個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)，一次實(shí)驗(yàn)就會(huì)生成100TB（1TB=1012）字節(jié)的數(shù)據(jù)。我們必須找到方法來(lái)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)，否則，如此多數(shù)據(jù)我們實(shí)在難以招架。”

　　結(jié)晶學(xué)的未來(lái)：為運(yùn)動(dòng)中的分子成像

　　最終，研究人員希望能夠捕獲單個(gè)分子的衍射圖案，這樣一來(lái)，他們就能觀察分子在完全自然的環(huán)境下（比如被水包圍而非被捕獲在晶體內(nèi)的人造環(huán)境中）的運(yùn)動(dòng)和它們之間的交互作用。弗洛姆表示：“那是結(jié)晶學(xué)的未來(lái)。不是像法醫(yī)那樣為死去的分子拍照，而是在分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，為分子成像。”

　　要做到這一點(diǎn)很困難，因?yàn)楸桓綦x開(kāi)來(lái)的單個(gè)分子并沒(méi)有同樣的“雙胞胎姊妹”來(lái)幫助它散射過(guò)來(lái)的光子，這是晶體內(nèi)會(huì)發(fā)生的情況。唯一的補(bǔ)償辦法是用更多光子來(lái)照射它從而制造出更強(qiáng)烈的散射圖案，光子的亮度需要達(dá)到LCLS的1000到1萬(wàn)倍。弗洛姆說(shuō)，歐洲XFEL發(fā)射出的光子的亮度可能會(huì)再?gòu)?qiáng)10倍，升級(jí)后的LCLS的亮度也會(huì)增加1000倍。弗洛姆認(rèn)為，這一目標(biāo)指日可待。“我們十年之內(nèi)就可以做到這一點(diǎn)。”