如何拍下万亿分之一秒内的原子“电影”？超级X光给出答案

在我们看不见的微观世界里，每分每秒都在上演着宇宙最惊心动魄的“动作大片”。分子是身怀绝技的特工，它们精准变形、结合与分离；原子是舞步飞旋的舞者，在万亿分之一秒内完成着生命的协奏；正在光合作用的植物叶片中的分子拆解水分子释放氧气；入侵细胞时，病毒的蛋白质外壳又突然变形“开锁”……

如何把这些在分子世界上演的精彩纷呈的片段记录下来？揭示其中的奥秘呢？

图1: XFEL拍摄概念图

（图片来源：作者由AI生成）

要想看清楚这些飞秒（一千万亿分之一秒）内原子级的动态过程，就要借助一款“超级摄像机”——X射线自由电子激光（XFEL）。正是借助它，科学家们得以拍摄微观世界奇妙的“分子电影”。

传统方法存在什么困境？

想拍摄一张清晰的照片，离不开高分辨率与合适的快门时间。给原子“拍电影”，捕捉它们在化学反应中的瞬间动态更是如此。

但对于传统方法而言，有重重困难横于眼前。想看清楚原子，分辨率需要达到0.1纳米，需选用波长极短的X光。为此，科学家们研究出同步辐射的方法来产生高亮度X光。虽然分辨率达到要求了，但其X光脉冲为皮秒级（一万亿分之一秒），也就是说其快门时间远远大于所要拍摄画面的发生时间，画面会模糊不清。

不仅如此，由于X光高能量的特性，长时间辐射会损坏生物样品。而传统成像需要长时间累积足够的光子才能形成清晰图像，因此在利用X光看清结构之前，生物样品已经被损坏了。也就是说，想“看见”就要用X光照射，但在照射完成之前，作为“被拍摄者”的样品已经被摧毁了。这听起来像是一个无解的问题，但科学家们还是找到了解决方案。

革命性的解决方案——XFEL

X射线自由电子激光（XFEL）因其能产生超亮、超短脉冲的X射线成为突破口，使科学家们能够“拍摄”到清晰的原子动态瞬间。那自由电子激光是什么呢？

自由电子激光是利用接近光速的高能电子束，通过周期性磁场（波荡器）迫使电子振荡并辐射光波，在自放大自发辐射等机制下，光波与电子束相互作用，被相干放大，最终形成的高强度、高相干性的激光。X射线自由电子激光（XFEL）装置的核心是利用巨大的粒子加速器隧道产生X射线激光的过程。

首先，在直线加速器中将一束电子束加速至接近光速。

随后，高速电子束进入波荡器（由N、S极交替排列的磁铁组成）中，在磁场的作用下，电子被迫进行快速的横向振荡。电子在振荡的过程中辐射X射线，这些辐射出的X射线又会进一步地与前方电子相互作用，迫使其同步振荡产生共振，辐射被强烈地同步放大，即自放大自发辐射。

最终，产生出具有超高亮度、超短脉冲（飞秒甚至阿秒级）、优异相干性的X射线激光束——XFEL。

图2:自由电子激光基本构成

（图片来源：参考文献[1]）

由于XFEL脉冲在飞秒甚至阿秒量级，样品在被X光彻底摧毁之前，就已被成像或探测，这有效规避了传统方法的辐射损伤难题。而且XFEL同时具有高分辨率，即原子尺度0.1 纳米，又有合适的快门时间，即与反应时间相近甚至更短的飞秒甚至阿秒量级。这都使得XFEL成为拍摄原子动态瞬间的理想“摄像机”。

那科学家们又是如何拍摄的呢？这就不得不提到一个重要技术——泵浦-探测。

泵浦-探测的过程就如同导演拍电影一样。泵浦，即“action”，发射信号使反应开始。采用一束超短激光脉冲（例如红外光或可见光）激发样品启动反应。探测，即拍摄，拍摄不同时刻的场景用于串联成电影。在飞秒精度的延时后，发射一束XFEL脉冲通过成像、衍射或光谱分析探测样品状态。改变延时并重复实验，就可以串联成一部原子的“电影”。

现已拍成的“电影”

• 光合作用中氧气的释放

植物是具体如何”拆解”水分子、制造氧气的？这一光合作用的核心谜题，如今被X射线自由电子激光（XFEL）揭开神秘面纱。科学家们利用XFEL首次捕捉到光系统II（PSII）中水分子逐步”裂变”生成氧气的全过程，获得了从水到氧气的关键中间态结构快照。这代表着维持地球上现有生态系统正常运转的重要化学反应——光合作用的动态细节首次展现于我们眼前。为进一步的人工光合作用，清洁能源制造奠定了坚实基础。

• 病毒入侵细胞

高中的生物课上，我们了解到病毒通过表面蛋白变形入侵宿主细胞。但其蛋白构象动态变化的具体过程仍为一团迷雾。科学家们用激光模拟宿主细胞环境（如酸性pH值）触发病毒蛋白，再用XFEL在飞秒尺度上抓拍其构象变化的瞬间。成功解密了病毒是如何入侵细胞的，为后续阻断融合过程的靶向药物的研究提供思路。

中国力量：上海硬X射线自由电子激光装置（SHINE）

给原子拍“电影”怎么能少得了中国？位于上海张江的SHINE（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility）是全球仅有的几台在建的硬X射线自由电子激光装置之一。它的核心是一台8 GeV（80亿电子伏特）的连续波超导直线加速器，总长3.1 km，每秒可产生高达100万次脉冲。将产生0.2 GeV–15 GeV全覆盖（覆盖软X射线到硬X射线）的 X 射线自由电子激光（XFEL），其峰值亮度远超传统同步辐射光源。

根据2025 年SHINE工程进展报告，截至2025 年7 月全部土建及公用工程交付。关于核心装置，注入器已完成安装与束流调试，成功实现100 MeV能量输出，束流性能达标（发射度低于0.57 mm mrad）；超导直线加速器部分，已组装并水平测试16套1.3 GHz与2 套3.9 GHz低温模组（CM）；CM01–CM14全面达标，CM15–CM20 正在总装；波荡器部分，硬X射线线（FEL-I）26 mm周期的平面波荡器（U26），已生产30套，4套已入隧道安装，软X射线线（FEL-II）包括55 mm周期波荡器（U55）和双周期U55/75，15套U55完成集成，5套开始安装。关键设备逐步国产化，多种核心部件实现自主研制，批量生产中。

SHINE配备4 套大型低温系统（含3台4kW@2K制冷机），为超导腔提供近绝对零度环境。首台制冷机已支持注入器运行，第二台通过测试，第三台进入试运行。采用欧洲核子中心（CERN）开发的“白兔”时间同步技术，精度达飞秒级（1秒的千万亿分之一）。注入器时序系统已完成调试，主加速器部分正在安装。

预计2026年SHINE实现软X射线（FEL-II）首次出光，2027年实现硬X射线（FEL-I）出光并整体验收。

“SHINE面临低温模块量产合格率、工期紧张等挑战，”项目报告坦言，“但团队正全力冲刺2026年首束光目标。当这台亚洲最亮的X射线光源亮起时，我们将拥有窥见自然最深奥秘的眼睛。”

图 3: SHINE的布局和主要参数

（图片来源：参考文献[6]）

上海光源SHINE作为探索物质动态的国之重器，不仅是中国走在科学前沿的重要一步，还为原子尺度拍摄“分子电影”提供了终极工具。

未来，随着SHINE等装置点亮更短脉宽、更高亮度的相干光，我们或将解开更多微观世界的神秘面纱。

参考文献

[1] 赵振堂and 冯超. X射线自由电子激光. 物理, 47(3):153–160, 2018.

[2] Henry N Chapman, Petra Fromme, Anton Barty, Thomas A White, Richard A Kirian, Andrew Aquila,

Mark S Hunter, Joachim Schulz, Daniel P DePonte, Uwe Weierstall, et al. Femtosecond x-ray protein

nanocrystallography. Nature, 470(7332):73–78, 2011.

[3] 付磊, 何建华, and 曾梦琪. 同步辐射：从发现到科学应用. 科学出版社, 北京, 2022.

[4] Jan Kern, Ruchira Chatterjee, Iris D Young, Franklin D Fuller, Louise Lassalle, Mohamed Ibrahim, Sheraz

Gul, Thomas Fransson, Aaron S Brewster, Roberto Alonso-Mori, et al. Structures of the intermediates of

Kok’s photosynthetic water oxidation clock. Nature, 563(7731):421–425, 2018.

[5] Peter M Kasson, Grigory P´erez-Mej´ıas, Chen Zhang, Nicolas W Hengartner, and Sebastian Doniach.

Influenza hemagglutinin membrane fusion mechanism studied by XFEL. Nature Communications, 8:1458,

[6] 刘波. SHINE工程进展. 2025年超级陶瓷装置研讨会, 07 2025.

[7] 赵璇and 张文凯. X射线自由电子激光：原理、现状及应用. 现代物理知识, 31(2):14–21, 2019.

出品：科普中国

作者：李伊（北京师范大学物理与天文学院）

监制：中国科普博览