1914年，德國科學家Max von Laue因發現晶體(ti) 如何衍射X射線而摘得諾貝爾物理學獎桂冠，這一發現直接推動了X射線晶體(ti) 學的出現。從(cong) 那時以來，研究人員利用衍射推算出了越來越多複雜分子的晶體(ti) 結構，從(cong) 簡單礦物到石墨烯等高科技材料，甚至還包括病毒。

　　隨著技術進步，發現的步伐也在加速：每年數以萬(wan) 計的新結構留下影像。上世紀90年代，蛋白質晶體(ti) 圖片的分辨率已經達到能分辨單個(ge) 原子的臨(lin) 界閾值。

　　Von Laue偶然間有了這樣一個(ge) 想法，當X射線穿過一個(ge) 晶體(ti) 時，由於(yu) 原子的存在，它們(men) 將發生散射，然後就像拍打海岸的波浪那樣互相幹擾。在某些地方，一些波會(hui) 加入到另一些波中，而在另一些地方則可能出現相互抵消。這樣一來，衍射圖樣就能被用於(yu) 計算那些分散原始X射線的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸銅樣本證明了這一理論。

　　回顧晶體(ti) 學的發展曆程不難看出，X射線技術在其中扮演了重要角色，功能強大的X射線激光器推動著晶體(ti) 學不斷前進。

　　直擊物質“心髒”

　　在美國加利福尼亞(ya) 州帕洛阿爾托市附近的丘陵中，物理學家為(wei) 世界上最快速的電子建造了一個(ge) “極端超越障礙訓練場”。首先，粒子在一個(ge) 長達3公裏的真空管內(nei) 加速到接近光速，然後它們(men) 將穿過一段磁鐵，並被猛烈扭曲。最終出現強烈X射線暴，使它們(men) 足以穿透鋼板。

　　不過，SLAC的科學家對武器並不感興(xing) 趣。他們(men) 的機器是全世界功率最大的X射線自由電子激光（XFELs）發射器之一，也是研究物質結構的一種工具。結構生物學家尤其能從(cong) XFELs中獲益匪淺。SLAC的激光器發射出的X射線脈衝(chong) 短到足以捕獲分子運動的類似頻閃燈的圖片，並且強烈到足以為(wei) 生物分子集群成像——這是傳(chuan) 統技術難以完成的。XFELs正賦予生物學家新的方法掃描潛在的藥物標靶、探討光合作用粒子的結構等。

　　“毫無疑問，XFELs是顛覆性技術。”伊利諾伊州芝加哥大學晶體(ti) 學家Keith Moffat說，“到目前為(wei) 止，它遠遠超越了之前的技術，並正在改變人們(men) 做事的方式。”Moffat也是XFELs發射器科學顧問委員會(hui) 成員。

　　但XFELs也是備受爭(zheng) 議的技術，尤其是SLAC的直線性連續加速器光源（LCLS）更是如此。LCLS是世界上首個(ge) 也是最大的XFELs發射器。2002年，麵對研究人員的頻頻質疑，美國能源部（DOE）牽頭開始建造LCLS。當時許多人質疑：即使假設這個(ge) 未經證實的技術能夠工作，LCLS未來的科學產(chan) 出是否值得投入4.14億(yi) 美元呢？

　2009年LCLS開始運行後，爭(zheng) 論逐漸消失，Moffat提到，“它按時按預算工作了，並且更突出、更方便”。日本緊跟其後，建造了自己的XFEL設備，歐洲則計劃了一個(ge) 功率更大的設備，將於(yu) 2015年啟動。預計在未來幾年中，全球對XFELs的投入將達數十億(yi) 美元。但要充分發揮其潛力，這些設備還必須克服更多的技術障礙，從(cong) 推進功率到更好地處理產(chan) 生的數據等。

　　“物理學家、生物學家、激光科學家和高能密度學家—— 一個(ge) 徹底的新團體(ti) 正在形成，因為(wei) 人們(men) 必須了解相關(guan) 工作的所有程序。”瑞典烏(wu) 普薩拉大學分子生物物理學家Janos Hajdu說，“很多發展必須統合在一起，以便完成這項工作。”