如何拍下万亿分之一秒内的原子“电影”？超级X光给出答案
【导语】在我们肉眼不可见的微观宇宙中，分子与原子正上演着惊心动魄的“动作大片”。如何捕捉这些飞秒间原子级的动态？X射线自由电子激光（XFEL）作为“超级摄像机”，突破了传统方法的局限，以超亮、超短脉冲的X射线，成功拍摄出微观世界的“分子电影”。中国上海的硬X射线自由电子激光装置（SHINE）正全力冲刺，未来将为我们揭开更多微观世界的奥秘。
出品：
作(zuò)者：李伊（北京师范大学物理与天文学院）
监制：中国科普博览
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(yòng)接(jiē)近(jìn)光(guāng)速(sù)的(de)高(gāo)能(néng)电(diàn)子(zi)束(shù)，通(tōng)过(guò)周(zhōu)期(qī)性(xìng)磁(cí)场(chǎng)（波(bō)荡(dàng)器(qì)）迫(pò)使(shǐ)电(diàn)子(zi)振(zhèn)荡(dàng)并(bìng)辐(fú)射(shè)光(guāng)波(bō)，在(zài)自(zì)放(fàng)大(dà)自(zì)发(fā)辐(fú)射(shè)等(děng)机(jī)制(zhì)下(xià)，光(guāng)波(bō)与(yǔ)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(jiā)速(sù)器(qì)中(zhōng)将(jiāng)一(yī)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(cháng)运(yùn)转(zhuǎn)的(de)重(zhòng)要(yào)化(huà)学(xué)反(fǎn)应(yīng)——光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)的(de)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(shùn)间(jiān)。成(chéng)功(gōng)解(jiě)密(mì)了(le)病(bìng)毒(dú)是(shì)如(rú)何(hé)入(rù)侵(qīn)细(xì)胞(bāo)的(de)，为(wèi)后(hòu)续(xù)阻(zǔ)断(duàn)融(róng)合(hé)过(guò)程(chéng)的(de)靶(bǎ)向(xiàng)药(yào)物(wù)的(de)研(yán)究(jiū)提(tí)供(gōng)思(sī)路。
中(zhōng)国(guó)力(lì)量(liàng)：上(shàng)海(hǎi)硬(yìng)X射(shè)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(de)核(hé)心(xīn)是(shì)一(yī)台(tái)8 GeV（80亿(yì)电(diàn)子(zi)伏(fú)特(tè)）的(de)连(lián)续(xù)波(bō)超(chāo)导(dǎo)直(zhí)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)，总(zǒng)长(zhǎng)3.1 km，每(měi)秒(miǎo)可(kě)产(chǎn)生(shēng)高(gāo)达(dá)100万(wàn)次(cì)脉(mài)冲(chōng)。将(jiāng)产(chǎn)生(shēng)0.2 GeV–15 GeV全覆盖（覆盖软X射线到硬X射线）的 X 射线自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)（XFEL），其(qí)峰(fēng)值(zhí)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(jiā)速(sù)器(qì)部(bù)分(fēn)正(zhèng)在(zài)安(ān)装(zhuāng)。
预(yù)计(jì)2026年(nián)SHINE实(shí)现(xiàn)软(ruǎn)X射(shè)线(xiàn)（FEL-II）首(shǒu)次(cì)出(chū)光(guāng)，2027年(nián)实(shí)现(xiàn)硬(yìng)X射(shè)线(xiàn)（FEL-I）出(chū)光(guāng)并(bìng)整(zhěng)体(tǐ)验(yàn)收(shōu)。
“SHINE面(miàn)临(lín)低(dī)温(wēn)模(mó)块(kuài)量(liàng)产(chǎn)合(hé)格(gé)率(lǜ)、工(gōng)期(qī)紧(jǐn)张(zhāng)等(děng)挑(tiāo)战(zhàn)，”项(xiàng)目(mù)报(bào)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(guāng)，我(wǒ)们(men)或(huò)将(jiāng)解(jiě)开(kāi)更(gèng)多(duō)微(wēi)观(guān)世(shì)界(jiè)的(de)神(shén)秘(mì)面(miàn)纱(shā)。
参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)
[1] 赵(zhào)振(zhèn)堂(táng)and 冯(féng)超(chāo). X射(shè)线(xiàn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng). 物(wù)理(lǐ), 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
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[3] 付磊, 何建(jiàn)华(huá), and 曾梦琪. 同步辐射：从发现到科学应用. 科学出版社, 北京, 2022.
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[6] 刘(liú)波(bō). SHINE工(gōng)程(chéng)进(jìn)展(zhǎn). 2025年(nián)超(chāo)级(jí)陶(táo)瓷(cí)装(zhuāng)置(zhì)研(yán)讨(tǎo)会(huì), 07 2025.
[7] 赵(zhào)璇(xuán)and 张(zhāng)文凯(kǎi). X射(shè)线(xiàn)自(zì)由(yóu)电(diàn)子(zi)激(jī)光(guāng)：原(yuán)理(lǐ)、现(xiàn)状(zhuàng)及(jí)应(yīng)用(yòng). 现(xiàn)代(dài)物(wù)理(lǐ)知(zhī)识(shi), 31(2):14–21, 2019.
