在美国加州帕洛阿尔托丘陵地带，物理学家们建立起一座极端障碍电子加速器，来研究一些世界上最快速的电子。首先，粒子通过一道3公里长的真空管加速几乎达到光速。然后，它们穿越一道电磁管道，呈Z字形猛烈地向前飞行。在飞行过程中，它们发出一道X线冲击波，如此强烈，可以突破钢铁。但是，美国斯拉克国家加速器实验室并没有什么将其研制成为新式武器的兴趣。他们研制的加速器是世界上最为强有力的X线自由电子激光（XFELs）加速器，是一种研究物质受激态的工具，它们产生的压力和温度之大，可以达到恒星内部的压力和温度，或者蛋白质分子折叠成复合体纠缠态的压力和温度。结构生物学家们尤其大大受益于XFELs加速器的应用。这种加速器产生的X线脉冲短到可以捕获分子运动的频闪脉冲样图像，其致密程度更是可以对生物学分子进行成像，这样，XFELs加速器就可以给生物学家们提供一种新的技术和方法来扫描潜在的药靶、分析光合作用分子的功能、机理等。

 

　　伊利诺斯州芝加哥大学的晶体学家凯斯·穆菲特（Keith Moffat）一直供职于斯拉克加速器实验室学术委员会，他说：“毫无疑问，XFELs加速器是一种革命性的技术，它改变了我们做事的方式方法，这在以前是从来没有的。”但是XFELs加速器何尝不是一种充满争议的技术，尤其是斯拉克加速器，也就是莱纳克凝聚态光源（LCLS），是第一种XFELs加速器，也是最大的一种。这种由美国能源部（DOE）于2002年研制的加速器面临着来自研究人员们的诸多指责，其中许多人怀疑它的科学价值是否对得起它4.14亿美元的投资。自从2009年LCLS加速器开始运作以来，这些争议就大大减退了，穆菲特说：“这种加速器运行得非常好，不再神秘，按计划、按预算进行着。”在这种情况下，日本建立了自己的XFEL加速器；紧接其后，欧洲于2015年开始运作其更为先进的新加速器；瑞士和韩国也在紧锣密鼓地制定研制计划。全球今后几年对于XFELs加速器的总投资将超过数十亿美元。但是为了达到它们全部的潜能，这些机器将需要克服越来越多的技术障碍，从提高它们的功率和亮度到处理它们产生的洪水一般的海量数据。瑞典雅普沙拉大学的分子生物物理学家佳努斯·海杰杜（Janos Hajdu）说：“一个全新的由物理学家、生物学家、激光科学家、高能密度科学家组成的科学组织正在形成之中，因为人们不得不从不同的角度来认识这种新事物。这方面的工作正在产生大量的新进展。”

 

　　探索XFELs加速器只有100多年的历史，从那时起，包括冯·劳厄在内的先驱物理学家开始认识到了X线在研究物质本原中的强有力作用。只有波长极端短的质子才能在原子水平上对分子或材料进行成像，大约只有0.1纳米至1埃那样大小。但是，用X线得到图像是极具技巧性的。现在，还无法使用这些X线制造可见光显微镜的替代品，主要是因为还无法制造出可以聚焦这些X线的良好透镜。所以，在过去一个世纪中，物理学家们发明了X线晶体学，用一束X线穿透一些简单分子的晶格并记录下所得到的散射X线的衍射图案。运用数学计算对这些图案进行逆向重构得到分子的大致结构。不幸的是，即使使用原子能同步加速器，也不能对许多极其有趣的生物分子，如一些转运分子进出细胞的膜结合蛋白质复合体进行成像分析，因为它们不足够大也不足够完整来产生可用的分解图案。而且，即使是大多数结晶稳定性大分子也经常形成少量分子组成的纳米晶体。正因为原子能同步加速器所发出的光束还不足以达到产生这些结构体的有用衍射图案的强度，研究人员们已经转向了XFELs加速器应用，它所发出的光束至少比同步加速器强10亿倍。

 

　　20世纪80年代，XFELs加速器的基本工作原理得到了建立，并研发出了产生质子能力稍弱于X线的最早一代自由电子激光器。在这两种类型的激光中，一束自由电子穿越磁场，使之成为一种不衰减的轨道，并且光束还沿着其飞行轨迹发射出质子。但是在X线散发能量时，质子与电子相互作用，产生一种极端强烈的X线激光脉冲，每个脉冲波长只有飞秒（10-15秒），这种极短波长的脉冲可以根本性地冻结靶分子的运动。

 

　　1992年，首先建立这种加速器原理的洛杉矶加州大学的物理学家克劳迪欧·佩里（Claudio Pellegrini）提出，应该在斯拉克实验室建立一台这种机器，其发出的50GeV电子束可以用来制造一种可以在1－40埃波长下运作的XFEL加速器。许多这种理论的怀疑者们说，没有人能够证明一种自由电子激光能够达到这么强的能量，能够达到1埃的分辨率，佩里认为这种想法是愚蠢的。但是，世界上还是有许多物理学家认为这种主意是值得探索的。通过20世纪90年代的实验物理研究和计算机仿真实验研究，拥护者们系统地建立了一种具有说服力的XFELs加速器运行理论。到了21世纪初期，有力的证据促使DOE承诺建立斯拉克加速器。德国已经开始建立了汉堡自由电子激光器（FLASH），这是一种在德国电子同步加速器基础上建立的低能“软”XFEL加速器（DESY）；日本和一些欧洲国家启动了同样的研究，计划在10年后研制出自己的XFEL加速器。

 

　　但是，即使当第一台XFELs研制成功的时候，用户们都会面对一个不可避免的问题：这么强烈的光束会毁坏掉它们通路上任何样品。早在2000年，海杰杜和他的团队就证明了一个例外：在飞秒时间水平上，即使是分子的爆炸也会发生缓慢折叠。这种“缓慢”的过程大约需要10飞秒，其间：质子被吸收、分子键断裂、原子开始从它们原来的位置游离开来。但是，在一般情况下，那些从原子中散逸出来并产生衍射光谱的质子并不被吸收，而是以光速在晶格中飞速前进。该小组的实验证明了这个理论，称为“毁坏前衍射”，这项实验结果发表后，DOE将其科学原理运用于了LCLS。但是，问题还出在如何实施它上面。与同步加速器不同的是，与不受激情况下样品的大型晶格会以精确的角度和数量累积不同的是，LCLS的研究人员们使得纳米晶格小至无法看见或接触得到，而它们在X线脉冲前的位置更是使它们发生爆炸，使该加速器发射出每秒120次脉冲。

 

　　美国塔穆普市亚里桑那州立大学的物理学家约翰·斯宾塞（John Spence）在一次偶然的机会里与德国汉堡大学的物理学家亨利·查普曼（Henry Chapman）进行了合作。斯宾塞说：“因为每个样品都被毁坏了，你必须寻找新的样品。”该小组的解决方案是一种功能原理如同喷墨打印机的部件：它以微小水滴穿越光束，形成一种持续的流体，并有纳米晶格悬浮于其中。斯宾塞说：“而且，因为光束将经常传送这些水滴并产生新的衍射光谱，几天之内就会产生100TB的数据。而且，每个脉冲都会使得其晶格以一种未知、随机的方向发射出去，所以，你必须将这些数据进行处理来重建原来的分子，这对晶体学界来说是一项极其艰难的任务，科学家们从来没有想到要完成这么巨大数量级的数据处理工作。”但是，2008年，斯宾塞的学生理查德·基里安（Richard kirian）设计出了相关算法来实现这种处理。

 

　　2005年，查普曼领导的小组证明了可使用FLASH的长波软X线来完成这项技术发明。后来，有关科学家还应用“硬”XFEL加速器完成了对膜复合体大分子的研究。2009年12月，DOE和SLAC实验室将打印机原理和“毁坏前衍射”原理集成进XFEL技术：他们运用新研制的LCLS加速器完成了对第一项膜复合体实验的验证工作。当计算机监测到轨道壁上的衬里时，LCLS加速器地下控制室突然开始发射出每秒两次的衍射光谱，数十位科学家为之欢呼雀跃。

 

　　墨菲特说：“有了这次实验和其后许多实验的成功，人们的探索工作得到了确证，并且，有数千位科学家参与了这项工作，兴致勃勃地使用这种仪器进行科学实验。”仅在2013年，就有论文报道了LCLS加速器运用飞秒水平的冲击波对组织蛋白酶B的结构进行了研究，这是在一种睡眠病致病寄生虫体内发现的酶和潜在药靶。出于对加速器使用时间的紧迫需要，DOE正在计划研制升级版的LCLS-II加速器，2018年将同时运行的实验工作站数量提高到三倍。

 

　　2013年11月，美国自然科学基金会宣布在下一个5年中投入2 500万美元，在纽约市布法罗大学建立一个X线自由电子激光生物学研究中心（BioXFEL）。该中心任命斯宾塞为首席科学家，并在多个学术方向上进行工作，从改善纳米晶格的制备到观察蛋白质与其他化合物作用中的相关机理。

 

　　加州伯克利的劳伦兹伯克利国家实验室的结构生物学家约翰·坦纳（John Tainer）说：“但是，我们还不知道XFEL的全部潜能。例如，生物学家们最感兴趣的是蛋白质－RNA复合体的结构与功能问题，这些蛋白质可以以多种不同的结构存在，其高度可变性功能区域可以在分子层面与其他分子相互作用。我们还没有想好如何运用XFELs加速器来解决这些问题。”在这个方面，LCLS－II和一系列紧张研制中的类似新型加速器将给研究人员们提供许多新的机会。例如，从2011年开始，日本已经建立并运作了其SACLA XFEL加速器。运用一种特别研制的强力加速器，SACLA的光亮度达到了SLAC加速器的6倍，能量也稍高于SLAC。一个位于汉堡的欧洲研究联盟期望在2015年完成对价值11.5亿欧元（折合16亿美元）的欧洲XFEL加速器的建立，它将实现与SACLA加速器相同的光亮度，能量强度高于SACLA。

 

　　欧洲加速器的研制进度是喜人的。LCLS加速器的每秒120次脉冲的能量似乎是很高的标准。但是，在纳米晶格打印原理作用下，该加速器达到了每秒1万滴的能级，这种欧洲XFEL加速器将产生每秒2.7万次脉冲。这样，研究人员们将不仅避免浪费99%的昂贵而且难以制造的纳米晶格，而且还将使加速器为更多的科学家们所使用。你可以在5到10分钟内产生数百万次的衍射光谱，而不用像过去那样需要5到10小时。这就使得科学家们可以制作分子运动电影，在一天内，加速器可以捕获1万次的图像像素，目前，由于每帧图像需要观察数千个晶格来得到一个完整的结构，你不得不为每次像素的获得付出一整天的时间。但是，如果要求系统可以捕获和处理海量数据，只能在增加脉冲速度上做文章。目前，加速器的最高速度大约为每秒3 000个衍射光谱，这是值得改进的。这项任务将由计算机工程方面来完成，目前，计算机的能力已经达到了在一项实验中处理100TB的数据量。欧洲XFEL加速器每天将产生大约20亿次脉冲，将是计算机处理能力的1 000倍。我们将建立一些方法来减少需要处理的数据量。

 

　　最后，科学家们希望能够从单个分子中得到衍射光谱，使它们可以在水包围的完全天然的环境中，而不是在人工的晶格环境中，观察到生物分子的运动和相互作用。那将是科学家们希望得到的晶体学愿景：不是仅仅得到分子的静态图像，而是得到分子电影。在这个问题上，难以解决的问题是，一个独立的分子并不能以“双生子”状态存在来实现质子的发射，如同在晶格中发生的那样。唯一的补救方法是，用大量的质子来撞击它，从而产生更强的衍射光谱，其产生的粒子流比目前的LCLS加速器强1 000到10 000倍。欧洲XFEL加速器将只能达到10倍强度，所以，这对物理学家们提出了新的要求：提高光束的亮度。但是，升级版的LCLS加速器可以提升强度达1 000倍，这会在10年以内得到完成。