在我們看不見的微觀世界裏，每分每秒都在上演着宇宙最驚心動魄的“動作大片”。分子是身懷絕技的特工，它們精準變形、結合與分離；原子是舞步飛旋的舞者，在萬億分之一秒內完成着生命的協奏；正在光合作用的植物葉片中的分子拆解水分子釋放氧氣；入侵細胞時，病毒的蛋白質外殼又突然變形“開鎖”……

如何把這些在分子世界上演的精彩紛呈的片段記錄下來？揭示其中的奧祕呢？

圖1: XFEL拍攝概念圖

（圖片來源：作者由AI生成）

要想看清楚這些飛秒（一千萬億分之一秒）內原子級的動態過程，就要藉助一款“超級攝像機”——X射線自由電子激光（XFEL）。正是藉助它，科學家們得以拍攝微觀世界奇妙的“分子電影”。

傳統方法存在什麼困境？

想拍攝一張清晰的照片，離不開高分辨率與合適的快門時間。給原子“拍電影”，捕捉它們在化學反應中的瞬間動態更是如此。

但對於傳統方法而言，有重重困難橫於眼前。想看清楚原子，分辨率需要達到0.1納米，需選用波長極短的X光。爲此，科學家們研究出同步輻射的方法來產生高亮度X光。雖然分辨率達到要求了，但其X光脈衝爲皮秒級（一萬億分之一秒），也就是說其快門時間遠遠大於所要拍攝畫面的發生時間，畫面會模糊不清。

不僅如此，由於X光高能量的特性，長時間輻射會損壞生物樣品。而傳統成像需要長時間累積足夠的光子才能形成清晰圖像，因此在利用X光看清結構之前，生物樣品已經被損壞了。也就是說，想“看見”就要用X光照射，但在照射完成之前，作爲“被拍攝者”的樣品已經被摧毀了。這聽起來像是一個無解的問題，但科學家們還是找到了解決方案。

革命性的解決方案——XFEL

X射線自由電子激光（XFEL）因其能產生超亮、超短脈衝的X射線成爲突破口，使科學家們能夠“拍攝”到清晰的原子動態瞬間。那自由電子激光是什麼呢？

自由電子激光是利用接近光速的高能電子束，通過週期性磁場（波盪器）迫使電子振盪並輻射光波，在自放大自發輻射等機制下，光波與電子束相互作用，被相干放大，最終形成的高強度、高相干性的激光。X射線自由電子激光（XFEL）裝置的核心是利用巨大的粒子加速器隧道產生X射線激光的過程。

首先，在直線加速器中將一束電子束加速至接近光速。

隨後，高速電子束進入波盪器（由N、S極交替排列的磁鐵組成）中，在磁場的作用下，電子被迫進行快速的橫向振盪。電子在振盪的過程中輻射X射線，這些輻射出的X射線又會進一步地與前方電子相互作用，迫使其同步振盪產生共振，輻射被強烈地同步放大，即自放大自發輻射。

最終，產生出具有超高亮度、超短脈衝（飛秒甚至阿秒級）、優異相干性的X射線激光束——XFEL。

圖2:自由電子激光基本構成

（圖片來源：參考文獻[1]）

由於XFEL脈衝在飛秒甚至阿秒量級，樣品在被X光徹底摧毀之前，就已被成像或探測，這有效規避了傳統方法的輻射損傷難題。而且XFEL同時具有高分辨率，即原子尺度0.1 納米，又有合適的快門時間，即與反應時間相近甚至更短的飛秒甚至阿秒量級。這都使得XFEL成爲拍攝原子動態瞬間的理想“攝像機”。

那科學家們又是如何拍攝的呢？這就不得不提到一個重要技術——泵浦-探測。

泵浦-探測的過程就如同導演拍電影一樣。泵浦，即“action”，發射信號使反應開始。採用一束超短激光脈衝（例如紅外光或可見光）激發樣品啓動反應。探測，即拍攝，拍攝不同時刻的場景用於串聯成電影。在飛秒精度的延時後，發射一束XFEL脈衝通過成像、衍射或光譜分析探測樣品狀態。改變延時並重復實驗，就可以串聯成一部原子的“電影”。

現已拍成的“電影”

光合作用中氧氣的釋放

植物是具體如何”拆解”水分子、製造氧氣的？這一光合作用的核心謎題，如今被X射線自由電子激光（XFEL）揭開神祕面紗。科學家們利用XFEL首次捕捉到光系統II（PSII）中水分子逐步”裂變”生成氧氣的全過程，獲得了從水到氧氣的關鍵中間態結構快照。這代表着維持地球上現有生態系統正常運轉的重要化學反應——光合作用的動態細節首次展現於我們眼前。爲進一步的人工光合作用，清潔能源製造奠定了堅實基礎。

病毒入侵細胞

高中的生物課上，我們瞭解到病毒通過表面蛋白變形入侵宿主細胞。但其蛋白構象動態變化的具體過程仍爲一團迷霧。科學家們用激光模擬宿主細胞環境（如酸性pH值）觸發病毒蛋白，再用XFEL在飛秒尺度上抓拍其構象變化的瞬間。成功解密了病毒是如何入侵細胞的，爲後續阻斷融合過程的靶向藥物的研究提供思路。

中國力量：上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）

給原子拍“電影”怎麼能少得了中國？位於上海張江的SHINE（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility）是全球僅有的幾臺在建的硬X射線自由電子激光裝置之一。它的核心是一臺8 GeV（80億電子伏特）的連續波超導直線加速器，總長3.1 km，每秒可產生高達100萬次脈衝。將產生0.2 GeV–15 GeV全覆蓋（覆蓋軟X射線到硬X射線）的 X 射線自由電子激光（XFEL），其峯值亮度遠超傳統同步輻射光源。

根據2025 年SHINE工程進展報告，截至2025 年7 月全部土建及公用工程交付。關於核心裝置，注入器已完成安裝與束流調試，成功實現100 MeV能量輸出，束流性能達標（發射度低於0.57 mm mrad）；超導直線加速器部分，已組裝並水平測試16套1.3 GHz與2 套3.9 GHz低溫模組（CM）；CM01–CM14全面達標，CM15–CM20 正在總裝；波盪器部分，硬X射線線（FEL-I）26 mm週期的平面波蕩器（U26），已生產30套，4套已入隧道安裝，軟X射線線（FEL-II）包括55 mm週期波盪器（U55）和雙週期U55/75，15套U55完成集成，5套開始安裝。關鍵設備逐步國產化，多種核心部件實現自主研製，批量生產中。

SHINE配備4 套大型低溫系統（含3臺4kW@2K製冷機），爲超導腔提供近絕對零度環境。首臺製冷機已支持注入器運行，第二臺通過測試，第三臺進入試運行。採用歐洲核子中心（CERN）開發的“白兔”時間同步技術，精度達飛秒級（1秒的千萬億分之一）。注入器時序系統已完成調試，主加速器部分正在安裝。

預計2026年SHINE實現軟X射線（FEL-II）首次出光，2027年實現硬X射線（FEL-I）出光並整體驗收。

“SHINE面臨低溫模塊量產合格率、工期緊張等挑戰，”項目報告坦言，“但團隊正全力衝刺2026年首束光目標。當這臺亞洲最亮的X射線光源亮起時，我們將擁有窺見自然最深奧祕的眼睛。”