在美國加州帕洛阿爾托之上的丘陵中，物理學家們(men) 為(wei) 世界上最快的電子建造了一個(ge) “極端超越障礙訓練場”。首先，他們(men) 將粒子在一個(ge) 長約3公裏的真空管道內(nei) 加速到接近光速，然後，讓這些電子猛然撞擊一段磁鐵，這會(hui) 導致這些電子發生強烈的扭曲，最終爆發出強烈的X射線暴，強度之大足以穿透鋼板。

　 　XFEL：一項具有顛覆性的技術

 　　不過，在SLAC國家加速器實驗室進行這項研究的科學家們(men) 對武器並不感興(xing) 趣，他們(men) 操作的這台機器是全球功能最強大的X射線自由電子激光器（XFEL）之一，它也是一種研究物質結構的工具。

 　　結構生物學家們(men) 尤其能從(cong) XFEL那兒(er) 獲益良多，SLAC的激光器發出的X射線脈衝(chong) 短到足以捕獲分子運動類似閃光燈的圖像；這些脈衝(chong) 也稠密到足以為(wei) 生物分子集群成像—采用傳(chuan) 統方法無法做到這一點。因此，XFEL讓生物學家們(men) 擁有了新的方法，能篩查出潛在的藥物標靶；探測光合作用分子的機製等。

 　　“毫無疑問，XFEL是一項具有顛覆性的技術，它徹底改變了人們(men) 做研究的方式。”SLAC機器科學顧問委員會(hui) 委員、芝加哥大學的結晶學家凱斯·莫法特說。

  　　但XFEL也備受爭(zheng) 議，尤其是SLAC這台名為(wei) “直線加速器連貫光源（LCLS）”機器，更是紛爭(zheng) 不斷。LCLS是全球首台也是最大的XFEL。2002年，盡管諸多科學家頻頻質疑，但美國能源部仍對這一項目開了綠燈。當時，很多人懷疑：即使假設這個(ge) 還未經證實的技術真能工作，其未來提供的科學回報值得投入4.14億(yi) 美元嗎？

  　　莫法特表示，自從(cong) 2009年，LCLS開始工作，這些擔心就慢慢偃旗息鼓了。莫法特說：“這項研究起作用了，就像我們(men) 所說的那樣，按期工作，而且費用也在預算內(nei) 。”

 　　目前，美國能源部正計劃建造一台升級版的“LCLS二代”，該設備計劃於(yu) 到2018年投入使用，其能同時進行的實驗數量將為(wei) 現在的3倍。另外，去年11月，美國國家科學基金會(hui) 承諾，將在接下來的5年內(nei) ，投資2500萬(wan) 美元，用於(yu) 資助采用X射線自由電子激光器的生物研究中心（BioXFEL），這一研究中心位於(yu) 紐約布法羅大學，主要宗旨是推動X射線結晶學在多項前沿領域處於(yu) 領先地位：從(cong) 改進納米晶體(ti) 的準備工作到實時觀察蛋白質同其他化合物之間的相互作用等。

 　　在接下來的幾年內(nei) ，全球在XFEL上的投入將達到數十億(yi) 美元。但這些機器要想發揮最大的潛能，還有很多技術障礙需要克服，包括提升其能量和發射出的光束的亮度以及如何處理它們(men) 產(chan) 生的海量數據等。

　　“LCLS二代”和源源不斷湧現的新機器

 　　“LCLS二代”和源源不斷湧現出來的其他新機器會(hui) 給研究人員提供很多機會(hui) 。例如，自從(cong) 2011年開始，位於(yu) 日本的、全球最短波長的XFEL研究設備—SACLA就已開足馬力。利用專(zhuan) 門建造的緊湊型加速器，SACLA發射出的光束的亮度和能級為(wei) LCLS的6倍。歐洲多家研究機構希望能於(yu) 2015年攜手完成總投入高達16億(yi) 美元的歐洲版XFEL，目前這台設備正在德國漢堡緊鑼密鼓地建造，其亮度與(yu) SACLA相當，但能級更高。

 　　亞(ya) 利桑那州立大學的生物化學家佩特拉·弗洛姆對於(yu) 歐洲設備的脈衝(chong) 率非常興(xing) 奮。LCLS每秒鍾能夠發射出120個(ge) 脈衝(chong) ，這聽起來很多，但納米晶體(ti) 噴射器每秒鍾會(hui) 噴射出1萬(wan) 個(ge) 液滴，而歐洲XFEL每秒將產(chan) 生2.7萬(wan) 個(ge) 脈衝(chong) ，這將不僅(jin) 使科學家們(men) 能避免浪費99%昂貴且很難製造的納米晶體(ti) ，也使這台機器能讓更多人使用。弗洛姆說：“借用這台設備，在5到10秒鍾而非5到10小時內(nei) ，你就可以得到數百萬(wan) 個(ge) 衍射圖案。”

     但弗洛姆也表示，脈衝(chong) 速度的增加隻會(hui) 在係統能捕獲和處理海量數據時才發生。目前探測器最高的速度約為(wei) 每秒鍾發射3000個(ge) 衍射圖案，這一速度亟須提高，計算機的性能也需要提高。他說：“目前，在單個(ge) 實驗內(nei) ，一次實驗就會(hui) 生成100TB（1TB=1012）字節的數據。我們(men) 必須找到方法來精簡數據，否則，如此多數據我們(men) 實在難以招架。”

　　結晶學的未來：為(wei) 運動中的分子成像

　　最終，研究人員希望能夠捕獲單個(ge) 分子的衍射圖案，這樣一來，他們(men) 就能觀察分子在完全自然的環境下（比如被水包圍而非被捕獲在晶體(ti) 內(nei) 的人造環境中）的運動和它們(men) 之間的交互作用。弗洛姆表示：“那是結晶學的未來。不是像法醫那樣為(wei) 死去的分子拍照，而是在分子運動時，為(wei) 分子成像。”

　　要做到這一點很困難，因為(wei) 被隔離開來的單個(ge) 分子並沒有同樣的“雙胞胎姊妹”來幫助它散射過來的光子，這是晶體(ti) 內(nei) 會(hui) 發生的情況。唯一的補償(chang) 辦法是用更多光子來照射它從(cong) 而製造出更強烈的散射圖案，光子的亮度需要達到LCLS的1000到1萬(wan) 倍。弗洛姆說，歐洲XFEL發射出的光子的亮度可能會(hui) 再強10倍，升級後的LCLS的亮度也會(hui) 增加1000倍。弗洛姆認為(wei) ，這一目標指日可待。“我們(men) 十年之內(nei) 就可以做到這一點。”