互动科普

加速器变身X射线激光器

撰文 诺拉·贝拉（Nora Berrah） 菲利普·H·巴克斯鲍姆（Philip H. Bucksbaum）

翻译 庞玮

上述过程之所以令人惊讶，是因为在X射线激光的焦点下，原子中电子的“蒸发”是由内而外进行的。电子像洋葱一样层层包裹着原子核，但电子对X射线的反应并非整齐划一。最外层电子对X射线几乎是透明的，因此内层电子首当其冲，承受了X射线的辐射作用，这就类似用微波炉加热咖啡，杯子里的咖啡总是比杯子先热一样。内层的两个电子被“蒸发”后留下两个空位，原子内部出现空洞，在几飞秒（10-15秒）内，外层电子会跃迁进来填补这两个空位，然后这个“空位－填补”的过程重复上演，直到电子被全部扫除干净。这一过程不仅可以在分子中发生，也可以在固体物质中发生。

由此产生的奇异物态只能存在几飞秒。在固体中，这种物态很快会衰变成离子态，变成一种名为热密物质的等离子体（plasma），热密物质通常只有在极端条件下才能产生，比如核聚变反应或巨行星的内核中。因此，在X射线激光的焦点上形成的这种短暂但极端的环境，在地球上找不到任何与此相似的环境。

与其展现的奇异现象相比，X射线激光本身同样令人惊叹。产生X射线激光的这台名为直线加速器相干光源（Linac Coherent Light Source，简称LCLS）的仪器，位于美国SLAC国家加速器实验室。“X射线激光”会让人们回想起上世纪80年代，美国“星球大战”计划中的导弹防御体系，当时这套体系的支持者曾提出，用X射线激光来击毁弹道导弹和卫星。

但在现实中，X射线激光的产生，主要得益于大型原子加速器的出现，这种设备几乎是和X射线激光同时发展起来的。X射线激光重新定义了美国主要的原子加速器——SLAC线性加速器（美国能源部委托斯坦福大学运行）的用途，利用这台加速器，美国科学家做出很多重要发现，还有人因此得到诺贝尔奖，这些成就曾让美国在基本粒子物理学研究中引领风骚数十年。

2009年10月，SLAC线性加速器被部署为LCLSX射线激光器之后，它在原子与等离子体物理学、化学、凝聚态物理、生物学等领域中的地位，丝毫不亚于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）在当今基本粒子物理学中的地位。LCLSX射线激光器不仅能用巨大的能量，粉碎自然界的基本构成单元，制造出像空心原子这样的新物态，还可以像一台功能强大的高速显微镜那样，窥探量子世界。LCLS产生的X光脉冲快到可以捕捉到原子的运动情况（大概几飞秒，1飞秒＝10-15秒），让物理学家得以观察化学反应的具体过程。这些脉冲还有很高的亮度，让我们能看见蛋白质和其他生物分子，这些工作用其他X射线源是难于研究清楚的。

原子的阴影

X射线激光将当今实验物理学家使用的两种主要工具融合到一起：同步辐射光源和超快激光。同步加速器（synchrotron）是环形的粒子加速器，电子在其中高速环绕，沿途不断发射X射线，这些X射线会进入如摩天轮座舱般排列在加速器外围的仪器。本文作者之一贝拉就曾利用同步加速器X射线，来研究原子、分子和纳米系统的内部结构。就这个目的而言，X射线是不二之选，它具有原子尺度的波长，因此原子在X射线下能投出自己的影子。不仅如此，科学家还可以调节X射线，寻找特定种类的原子——比如，我们可以利用X射线，观察铁原子，看它在固体或在血红蛋白（hemoglobin，因为铁原子，我们的血液才呈现出红色）这样的大分子中，到底处于什么位置。

但是，同步加速器产生的X射线也有力不能及之处，那就是追踪原子在分子或固体中的运动。我们只能看到一团模糊的影子，因为对这些运动而言，X射线的波长还不够短也不够亮。只有当分子排列成晶体时，同步加速器才能对分子进行成像，因为在此时，局部作用力会将上百万个分子排列得井井有条，就好像阅兵方阵一样，因此分子的整体形象就更加突出一些。

而激光器作为光源就要亮得多，因为激光器能够产生相干光：激光中的电磁场不像海面那般波涛起伏，而是步调一致地连续振荡着。相干性意味着，激光能把巨大的能量集中在一个小点，并且能在飞秒之内开关自如。本文另一位作者巴克斯鲍姆就把超快激光脉冲用作闪光灯，来研究化学反应中的原子运动和反应步骤。

不过对于分辨单个原子而言，通常的激光，无论是在可见光波段还是不可见光波段，其波长都太长了——至少长了1 000倍，就像气象雷达能看穿风暴但看不见雨滴一样，这些激光只能看到原子的集体运动但是没法一一分辨每个原子。要想物体投下足够锐利的阴影，照射激光的波长必须要与待观测物体的尺度一致，甚至更短，因此，我们需要的是X射线激光。

简而言之，X射线激光克服了现有仪器无法在最微小的尺度上成像的弱点，但是制造这样一台仪器绝不是一件简单的任务。

第一台X射线激光器

曾几何时，制造X射线激光器的想法犹如天方夜谭，那时候能弄出激光器来就是一个不小的挑战了。标准的激光器的工作原理是，原子就像微型电池，它们能吸收、储存以及发射以光子形态出现的小份能量。通常，原子都是自发辐射出光子，但在20世纪早期，爱因斯坦发现了一种能触发原子辐射的方式，这个过程被称为自激辐射（stimulated emission）。如果让一个原子吸收一定能量，然后再用相同能量的光子去照射这个原子，它就能把刚才吸收的能量发射出来，制造出一个和照射光子一模一样的“克隆光子”来。这两个光子可以继续去触发另外两个原子，这样二变四，四变八，很快就形成一个呈指数增长的链式反应，最终就可以得到一束激光。

不过，即便条件合适，原子也不总是发射“克隆光子”，一个给定原子在照射下发射光子的概率其实很小，更大的概率是，这个原子在被触发光子照射之前，就将能量自发辐射掉了。一般的激光器都会不断注入能量，让原子总是处于最佳状态，并用反射镜让“克隆光子”来回反复参与触发，以便克服上述缺陷。超市里，在用于扫描条形码的氦氖激光器中，持续的电子流会不断撞击氦氖混合气体中的原子，同时光子在反射镜间要来回穿行200次。

对一台X射线激光器来说，这个过程中每一步都会更加困难。一个X射线光子携带的能量是可见光光子的1 000倍，因此每个原子都要吸收1 000倍普通光子的能量。因此，这些原子没法长时间持有这么多能量。不仅如此，反射X射线的镜子也很难制造。尽管这并不是什么根本性的难题，但要创造产生X射线激光的条件，就需要输入更多的能量。

实际上，第一台X射线激光器是通过一次地下核实验来获得足够的能量。该实验是为一个代号为“圣剑”（Excalibur，持有此剑的亚瑟王在10年中打赢了12场重要战役）的秘密项目建造，项目由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（Lawrence Liver-more National Laboratory）主持。尽管有关该项目的很多信息都已经公诸于众，但项目本身仍属于机密信息。这个项目所用的装置是上世纪80年代、美国前总统里根启动的主动战略防御计划的一部分，该计划又被称为“星球大战”，意思是要用超强“毁灭射线”来拦截导弹和卫星。

也是在那个时候，劳伦斯·利弗莫尔国家实验室还建造了第一台非核动力、实验室大小的X射线激光器，通过高功率光学激光来提供能量——这种光学激光本来是用于研究核武器性能的。但作为研究用的装置来说，这些装置都还不实用，在平常的科研中使用X射线激光器似乎还是很遥远的事情。

加速器变身激光器

研究人员最终能开发出民用X射线激光器，归功于美国湾区一家研究所的突破，而这个突破来自于完全为了其他目的而开发的设备。回溯到上世纪60年代，斯坦福大学建造了当时世界上最大的电子加速器，长达3千米，从太空俯瞰，就像是一根长针，从山区直插斯坦福大学校区的中心。这台名为SLAC的装置，能将密集的电子束加速到极为接近光速的速度（差别小于每秒几厘米），由它完成的粒子物理学实验最终催生了三个诺贝尔物理学奖。

但它最终也年华老去，今天的粒子物理学家“移情别恋”，开始转向大型强子对撞机（LHC）了。10年前，斯坦福大学和SLAC的主管机构——美国能源部科学办公室决定，将这台经受岁月洗礼的设备的一部分转为X射线激光器。于是，SLAC装备上了在现代同步加速器中用以产生X射线的装置：波荡器（undulator）。

波荡器由一系列磁铁组成，能产生不断变化的磁场。通过波荡器的电子会高频振荡，从而发射出X射线。在同步加速器中，加速器轨道是个闭环，电子一离开波荡器，就被偏折到加速器的环形轨道中，为X射线让出路来，让后者得以导出，进入各个实验基站。由于电子沿着环形轨道持续运转，因此每次通过波荡器都能发射出一连串X射线来。

但是，SLAC加速器却是台直线加速器，并且波荡器特别长（130米）。于是，电子和光子会沿着相同的路径，以相近的速度运动。结果就如一场原子尺度的撞击比赛：由于电子并未给它们发射出的X射线光子让路，因此这些光子会不断撞击电子，致使电子通过受激辐射过程，不断发射出X射线光子。

如此一来，就不再需要用镜子来回反射光子，使其撞击电子，因为它们混在一起协同运动。这样一来，产生激光所需的条件就是一束密集的快电子，和一个足够大的空间，能容纳较长的波荡器。SLAC刚好兼备这两个条件，如果一切准备就位，一束超亮的X射线激光就会产生。在直线加速器的末端，电子会被散射掉，只留下光子进入实验平台——这套系统被称为无电子激光器（free-electron laser），就是前面提到的LCLS。

虽然不是“星球大战”里的终极武器，但LCLS足以令人敬畏。它的峰值聚焦密度高达每平方厘米1018瓦，是同步辐射光源的10亿倍，可以用来切割钢铁。而且，它的振荡电磁场也比分子中把原子束缚在一起的电磁场强1 000倍。

极端条件

科学家对X射线激光的需求很大，因此，LCLS只能满足不到四分之一的研究申请。现场的科学工作人员、大量的来访学生团队、博士后和资深科学家，进行着一场紧张激烈的马拉松比赛，每天12小时，每周5天，每一微秒都要计算在内。

有了X射线激光，很多研究都得以展开。为了了解X射线激光究竟能做什么，来看两个我们特别感兴趣的问题：在极端条件下，物质会有怎样行为？通过对分子进行超快成像，我们可以发现什么？这两个问题都与原子、分子物理和光学中的一些基本过程密切相关，这正是本文作者所擅长的领域。

LCLS在使分子和固体内部产生中空原子时，利用了电子从外层轨道向内层空轨道跃迁的这种倾向。这种现象叫做俄歇弛豫（Auger relaxation），其过程需要几飞秒时间才能发生。因此，如果我们用一束1飞秒的X射线脉冲照射该体系，外层原子就没有时间落入内层的空轨道中。在这些条件下形成的中空原子，对任何X射线光子而言都是透明的，即使X射线极强也是如此。利用LCLS，我们不仅在原子中探测到了这种中空“透明”现象，还在分子和更大尺度的材料样本中观察到了这种现象。

理论上，像木星这样的巨行星内部，温度可达到20 000K，4倍于太阳表面的温度，而作为巨行星主要成份的氢和氦，在这样的高温下应该会形成奇异的固态物相，具有极端的密度和结构。但其中细节却一直不得而知，比如那些奇异固态物相的强度——即在压力作用下的压缩特性，是很难测量的，因此也无法从基本原理上获得进一步的认识。目前，这个领域的研究主要依靠理论模型，但几乎没法开展实验来验证此类模型。

在LCLS上开展的第一批实验中，一些科学家就想试着重现木星上的那种极端条件。X射线激光的巨大强度能在一瞬间将物质加热，产生非同凡响的效果。比如，我们首次观察到了多束X射线激光如何合伙“掠夺”多原子分子，迫使后者释放出原本被原子核牢牢束缚的电子，这个过程被称为多光子吸收（multiphoton absorption）。X射线激光的高密度还能通过所谓的连续吸收（equential absorption），从单个原子、分子或固体材料中一次激发出多个电子，把它们变成之前描述的“空心”状态。此外，明亮的X射线能够将巨行星内部分子（包括水，甲烷和氨）的所有价键快速打断。在这些极端条件下测量物质的特性，有助于得到巨行星内部或陨石撞击时的物态方程（equation of state），而通过这些方程，我们就可以了解巨行星上，密度、温度和压力之间的关系。

曝光蛋白质

另一个研究方向是，将X射线激光当作高速摄像机，对分子进行成像或记录物理、化学和生物学中的动态过程，这同样也会填补了我们认识上的一系列空白。对很多生物分子，尤其是构成细胞膜的各种蛋白质和大分子复合体的结构知之甚少，这一直是科学家的心头憾事。

目前的标准做法是晶体成像 （crystallography），也就是通过一定的方法，让目标分子长成一块足够大，并且足够完美的晶体，然后用一束同步辐射X射线进行衍射成像，最终得到的图案就能反映这种分子的结构。这种方法的缺点在于，X射线很容易损伤被探测的分子，为了弥补这个缺陷，科学家就必须准备很大的晶体，但我们感兴趣的很多分子，比如膜蛋白之类的生物分子，很难成长为晶体。不仅如此，同步辐射技术反应还很慢，因此无法观察在化学反应中持续时间以飞秒计的各种瞬态现象（transient phenomena）。

表面上看，LCLS似乎完全不能胜任这个工作，因为它比同步辐射光源要强数十亿倍，只需一个脉冲，像蛋白质或非晶态生物分子这样脆弱的物质就会灰飞烟灭，变成一团热腾腾的“等离子汤”。不过，这种毁灭性的强度正是我们需要的。因为脉冲短而亮，X射线激光能在分子被烤焦之前捕捉到分子影像，这样虽然样本被销毁了，但它的清晰形态却在消逝之前得以保存下来。

这个名为“阅后即焚”的方法已经有所成果。科学家用飞秒晶态成像技术拍摄到了非晶体、蛋白质和病毒的衍射照片（见48～49页图文框）。最近，科学家则捕捉到了与嗜睡病（sleeping sickness）相关的蛋白质影像，这是一种由寄生性原生虫（protozoan parasites）导致的致命疾病。

随着LCLS上一些开创性研究的开展，欧洲和亚洲的实验室也开始计划建造自己的无电子X射线激光器。新一代的设备将更加稳定，对光束的操控更加细致。一个特别重要的目标是，如何让X射线脉冲变得更短。如果有0.1飞秒的脉冲，我们也许就不仅能看到原子的运动，还能看到原子和分子中电子的运动。新的设备最终能让我们操控这些电子的运动。用影像记录化学键断裂和形成的梦想正变得触手可及。

本文译者 庞玮是理论物理学博士，现任教于广东工业大学，主要研究方向为凝聚态物理与非线性物理。