【導語】在糖心免费视频難以窺見的微觀世界，分子與原子正上演著精彩絕倫的“動作大片”。然而，傳統觀測手段受限於分辨率與快門時間，難以捕捉原子級的動態瞬間。如今，X射線自由電子激光（XFEL）作為“超級攝像機”，讓科學家得以拍攝微觀世界的“分子電影”，揭開光合作用、病毒入侵等奧秘。中國上海的硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）正全力衝刺，未來將助力糖心免费视频窺見自然更深層的秘密。

出品：

作者：李伊（北京師範大學物理與天文學院）

監製：中國科普博覽

在糖心免费视频看不見的微觀世界裏，每分每秒都在上演著宇宙最驚心動魄的“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著生命的協奏；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？揭示其中的奧秘呢？

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，就要借助一款“超級攝像機”——X射線自由電子激光（XFEL）。正是借助它，科學家們得以拍攝微觀世界奇妙的“分子電影”。

傳統方法存在什麽困境？

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。為此，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光脈衝為皮秒級（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麵的發生時間，畫麵會模糊不清。

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，作為“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射線成為突破口，使科學家們能夠“拍攝”到清晰的(de)原(yuán)子(zi)動態瞬間。那自由電子激光是什麽呢？

自由電子激光是利用接近光速的高能電子束，通過周期性磁場（波蕩器）迫使電子振蕩並輻射光波，在自放大自發輻射等機製下，光波與電子束相互作用，被相幹放大，最終形成的高強度、高相幹性的激光。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，高速電子束進入波蕩器（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蕩。電子在振蕩的過程中輻射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，迫使其同步振蕩產生共振，輻射被強烈地同步放大(dà)，即(jí)自(zì)放(fàng)大(dà)自(zì)發(fā)輻(fú)射(shè)。

最(zuì)終(zhōng)，產(chǎn)生(shēng)出(chū)具(jù)有(yǒu)超(chāo)高(gāo)亮(liàng)度(dù)、超(chāo)短(duǎn)脈衝（飛秒甚至(zhì)阿(ā)秒(miǎo)級(jí)）、優(yōu)異(yì)相(xiāng)幹(gàn)性(xìng)的(de)X射(shè)線(xiàn)激(jī)光(guāng)束(shù)——XFEL。

圖(tú)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(shén)至(zhì)更(gèng)短(duǎn)的飛秒甚至阿秒量級。這都使得XFEL成(chéng)為(wèi)拍(pāi)攝(shè)原(yuán)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(diàn)影(yǐng)一(yī)樣(yàng)。泵浦，即“action”，發射信號使反應開(kāi)始(shǐ)。采用(yòng)一束超短激光脈衝（例如紅外光或可見光）激發樣品啟動反應。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。改變延時並重複實驗，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）揭開神秘麵紗。科學家們利用XFEL首次捕捉到光係統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。這代表著維持地球(qiú)上(shàng)現(xiàn)有(yǒu)生(shēng)態(tài)係(xì)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糖心免费视频眼前。為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，糖心免费视频了解到病毒通過表(biǎo)麵(miàn)蛋(dàn)白(bái)變(biàn)形(xíng)入(rù)侵(qīn)宿(sù)主細(xì)胞(bāo)。但(dàn)其(qí)蛋(dàn)白(bái)構(gòu)象(xiàng)動(dòng)態(tài)變(biàn)化(huà)的(de)具(jù)體(tǐ)過(guò)程(chéng)仍(réng)為(wèi)一(yī)團(tuán)迷(mí)霧(wù)。科(kē)學(xué)家(jiā)們(men)用激光模擬宿(sù)主細(xì)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，為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(zì)由(yóu)電(diàn)子激光裝置（SHINE）

給原子拍“電影”怎麽能少得了中國？位於上海張江的SHINE（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility）是全球僅有的幾台(tái)在(zài)建的硬X射線自由電子激光裝置之一。它的核心是一台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），其峰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(zhuāng)與(yǔ)束(shù)流(liú)調(diào)試(shì)，成(chéng)功(gōng)實(shí)現(xiàn)100 MeV能(néng)量(liàng)輸(shū)出(chū)，束(shù)流(liú)性(xìng)能(néng)達(dá)標(biāo)（發(fā)射(shè)度(dù)低(dī)於(yú)0.57 mm mrad）；超(chāo)導(dǎo)直(zhí)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全麵達標，CM15–CM20 正在總裝；波蕩器部分，硬X射線線（FEL-I）26 mm周期的平麵波蕩器（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周期波蕩器（U55）和雙周期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 套大型低溫係統（含3台4kW@2K製冷機），為超導腔提供近絕對零度環境。首台製冷機已支持注入器運行，第二台通過測試，第三台進入試運行。采用歐洲核子中心（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）。注入器時序係統已完成調試，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麵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。當這台亞洲最亮的X射線光源亮起時，糖心免费视频將擁有窺見自然最深奧秘的眼睛。”

圖 3: SHINE的布局和主要參數

（圖片來源：參考文獻[6]）

上海光源SHINE作為探索物質動態的國之重器，不僅是中國走在科學前沿的重要一步，還為原子尺度拍攝“分子電影”提供了終極工具。

未來，隨著SHINE等裝置點亮更短脈寬、更高亮度的相幹光，糖心免费视频或將(jiāng)解(jiě)開(kāi)更(gèng)多(duō)微(wēi)觀(guān)世(shì)界(jiè)的(de)神(shén)秘(mì)麵(miàn)紗(shā)。

參(cān)考(kǎo)文獻(xiàn)

[1] 趙(zhào)振(zhèn)堂(táng)and 馮(féng)超(chāo). X射(shè)線(xiàn)自(zì)由(yóu)電(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, 何建華, and 曾夢琪. 同步輻射：從發現到科學應用. 科學出版社, 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.

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

2017.

[6] 劉波. SHINE工程進展. 2025年超級陶瓷裝置研討會, 07 2025.

[7] 趙璿and 張文凱. X射線自由電子激光：原理、現狀及應用. 現代物理知識, 31(2):14–21, 2019.