它使一个原子显得像足球那么大，1微秒（10-6秒）时间似乎无限的长。

有人在实时看到过蛋白质如何折迭吗？有人看到过当光子击到叶缘素分子时发生了什么？迄今还没有。这些事情发生得太快，而且这些东西的结构又太小，以致今日的技术还难于对它们成像。生物学中一些最基本过程的详细情况，从细胞的死亡到光合作用，还一直未为人眼所见。

这种情况可能不久就会改变，由于新一代的χ-射线激光器可使其能量的集中程度达到比目前一般的类似仪器效能大10亿倍。科学家已可将最小、最快事件的物理学过程加以揭示。人们称之为自由-电子激光器的仪器曾存在过一个短时间，但迄今它尚未能产生可分辨最小、最精细的结构所需的那种辐射。而在今后的几年内，能产生这种χ-射线激光束的大型机器则将投入工作。

大约有20多台自由-电子激光器（其频谱横跨从红外光到紫外光）已投入运行或正在组装中，现在人们正努力将其频谱拓宽到χ-射线。以3. 79亿美元预算而领先的是“线性相干光源”，拟于2009年在斯坦福线性加速器中心（加利福尼亚罗门公园）启用。它并没有超过设在汉堡的“德国电子同步加速器”（DESY）研究中心的装置，该中心去年8月创制了具有现代工艺水平的紫外自由-电子激光器，并计划于2012年将该装置加以改进，使之纳入欧洲χ-射线自由-电子激光器，估计得花9. 08亿欧元。另一个更靠后的，是日本RIKEN Harima研究所（在神户附近）的计划。

作为对这笔惊人投资的回报，自由-电子激光器将为研究者去做过去从来不可能做的实验打开了大门。这个激光器可以像剧院的闪光灯那样，捕捉到在原子间蹦跳的电子，或生物分子相互作用时的图像。它们有可能解译复杂的蛋白质和整个病毒的结构，甚至可从DNA中索取到一些惊人的信息。DNA最初是在1950年代用χ-射线成像的，但那只是一种人工伸展的形态。瑞典乌普萨拉大学生物药物中心的物理学家雅诺什 · 海杰杜(Janos Hajdu)说，“从来没有人看到过一个3维的基因组”。海杰杜还向斯坦福和DESY建议如何来开拓这一技术，因为它也可用于在亚原子水平上操纵物质。他说，“这方面的竞赛正在加温。”

自由-电子激光器如何工作？

那么自由-电子激光器是如何工作的呢？严格说来，它根本不是真正的激洮器。在传统激光器中，光或电激发某种物质（通常是气体或半导体），促使其原子在一个特殊的波长上发出辐射。这些原子的辐射相互共振，结果产生紧密聚集的光束，其光子都按同一节奏摆动。

自由-电子激光器并不是激发原子，而是使用粒子加速器(通过一个“扭动器”)去轰击电子显微云，这种扭动器实际上是一个排列成如同两层金属片那样的磁铁夹层板，这些磁铁的极性是沿着磁铁板的长度而交替变化的。这样，当电子以近光速的速度通过磁铁中间时，它们就穿过一个上下起伏的磁场区域。磁力把这些电子从这一侧推向那一侧。这一扭动，使得电子的速度减慢下来，将某些能量转变成光子辐射暴，它以一条很细的光束，沿着电子的通道射出。光子跟电子会有相互作用，使它们挤在一起，这可进一步减慢电子的速度，并以更多光子的形成吸出更多的能量。只要调整进入电子的速度，就能使电子云跟光子暴同步。最终是产生一系列的甚密集的相干辐射脉冲。

现在的自由-电子激光器，是通过电子的扭动而产生光束的，其波长从红外（1~100微米），经过可见光到紫外光（10~100毫微米）。但要对二个原子组成一个分子时，或对一个蛋白质折迭时的情况进行实时成像，则需要短得多的χ-射线波长［1皮（10-12）~10毫微米］和飞秒（10-15秒）的脉冲才行。波长越短，越能分辨更小的细节；更短的脉冲间隔，能捕捉更快的过程，就像运动摄影师需要一个高速快门，才能把一个球“冻结”在半空中一样。

在通常的激光器中，其辐射波长是由放射材料的特性决定的，故它们只能产生少量的、处在χ-射线波长上的能量和飞秒的时标。而自由-电子激光器却没有这种限制，理论上，只要改变进入电子的能量和扭动器的几何形状，它就能调整到产生任何波长的辐射。但实际上，要降低波长和减小其脉冲间隔，还是相当困难的。因为这意味着要把电子挤得很紧，而这就要对抗把同电荷的粒子相互推开的电力。

新机器可显示生物分子的结构和行为

怎么办？办法是用更大、功率更强的机器。第一台自由-电子机器1950年代建于斯坦福大学，它可产生微波而非可见表；更短波长的可见光直至1980年代才获得。同时，几公尺长的扭动装置已使用了几十年以产生χ-射线，但那是由同步加速器产生的。这是一种像面包圈那样的粒子加速器，已成为结构生物学实验的主要仪器。

而新型的自由-电子激光器，则要有长达150公尺的扭动装置，并要用密集的电子云。它的这些特性结合起来，将产生高聚焦的相干光束，其χ-射线脉冲时标可短到1飞秒，要比现今最佳的同步加速源的脉冲时标短1000倍。

斯坦福和汉堡都为它们1公里长的电子加速器采用了略有不同的技术。DESY可产生更多的脉冲/秒和较短的波长，但每个脉冲长度更长。这项技术是如此之新，以致研究者还不知道它将用在何处？甚至不知道其工作情况是否符合他们的预斯。海杰杜说：“任何机器若在能量密度上提高100亿倍，那必将带来新的科学成果，其中有些是能预期的，有些则不能。”

也许最切盼应用它的领域是用于研究蛋白质和其他生物分子的结构和行为。目前用同步加速器做实验已成为最普通的方式：蛋白质被排列在有规则的晶体结构之中，蛋白质典型的跨度为2~50微米，再以普通的χ-射线散射通过它们。根据这些图像，可重建蛋白质的3维形状。但要获得良好的晶体既烦人又费时。再者，许多生物学上重要的蛋白质，尤其是那些处在细胞膜上的物质，以及起着运送作用的物质，如进进出出的药物化合物，具有抵制结晶的倾向。

自由-电子激光器的最大优点，是它消除了对晶体的需要。斯坦福大学领导此项研究的杰里 · 黑斯廷斯（Jerry Hastings）说，因为激光的能量已足够地集中，完全可以对单个分子成像。“你能拿一桶蛋白质，一滴一滴地注入光速。”从而，研究者可从散射的χ-射线分辨每种蛋白质的3维结构图像。

海杰杜认为，使用这种方法就有可能去研究整个病毒。病毒研究者通常取得模糊的电子显微镜图像后，还得将病毒冻凝并涂以黄金。但这种技术仅能获得病毒（包括HIV等）的少量信息，对病毒体内的情况也一无所知。海杰杜说：“没有人真正知道，DNA是怎样被病毒如此紧密地所包入的。”研究者希望，自由-电子激光器将使他们能对活病毒取得精细的快速成像，从而有助于他们找到研制新药的路线。

有些障碍还有待于克服。例如，新型激光器对研究者的应用目的来说，威力可能太强了。χ-射线是如此地密集，以致任何要成像的分子几乎都将被击成碎片。故人们希望，脉冲要足够地短，到分子开始飞离时，散射的χ-辐射已留下，并将信息带到成像探测器中。它是否能如此这般工作，没有人敢肯定。

另一个难题是测量跟脉冲的同步。当你要处理1公里长的加速器和10-15秒的过程时，这是很困难的。但迄今进展得还不错。在演示走向必要精度的第一步时，来自DESY、斯坦福和其他研究单位的专家取得的时标精度，跟非激光χ-射线脉冲（来自加速器）不相上下。

还有一段长距离要走，但若χ-射线激光技术成功，那么一些长期的科学悬案，可能真的会在瞬间消失。