文/姚晨輝 徐梅
探究世界的光
萬物生長靠太陽，地球上的大部分生物都需要陽光才能生存。同時，光也是我們認識世界的一個重要工具。通過光與物質的相互作用，我們就可以觀測物體。
人類從誕生之日起，從未停止對光的追逐。光和人類文明進程相伴。19世紀末，愛迪生發明的電燈將人類帶進電氣時代。1895年，德國科學家倫琴發現了x射線，人類第一次看到了肉眼無法看到的物質內部和分子、原子等微觀世界。
對於探索微觀世界而言，光源的質量至關重要。光源的質量與很多因素有關。你或許聽過一個故事：一個人晚上在花園裡丟了東西，他卻跑到房間裡去找。別人問他為什麼，他理直氣壯地說，因為房間裡的燈更亮。這個笑話從一個側面說明了光源的亮度對人類觀察活動的重要性。
X射線更是探測微觀世界的理想工具，常規的X射線光源的亮度和相干性十分有限，這極大地限制了其在科學研究上實現更廣泛的應用。轉機在20世紀40年代出現了。
X射線是理想的探測工具
光源的演變
當時，美國通用電氣實驗室的科學家用電子同步加速器進行實驗。他們把電子加速到接近光速，再通過強大的磁場來控制其方向，使之沿著環形真空軌道「跑圈」。他們發現，電子在「跑圈」通過彎道時，會沿切線方向釋放電磁波。這就像下雨時如果你快速轉動雨傘，雨珠就會沿著雨
傘邊沿的切線方向甩出一樣。因為這種電磁輻射是在同步加速器上觀察到的，因此被稱作同步輻射。最初，同步輻射並不受科學家歡迎，被看作一種需要消除的副作用。隨後，他們逐漸意識到，同步輻射光有很多其他光無法企及的優點，能夠「照亮」普通技術無法洞察的微觀世界。
幾十年來，同步輻射光源已經歷了三代的發展。外形酷似鸚鵡螺的上海光源，就是全球最先進的第三代同步輻射光源之一。第三代同步輻射光源是物理、化學、材料、醫學、生命科學等眾多科學領域中基礎研究和應用研究的一種不可或缺的先進研究手段。然而，受原理限制，它也存在一些缺點。
為此，科學家開始發展新一代相干光源——X射線自由電子雷射（FEL）。自由電子雷射是高能電子在磁場作用下發生扭擺的時候，在前進方向上發出的雷射。你可以想像一條蛇扭著身子往前爬行，只不過這條「蛇」的速度接近光速，運動路徑呈正弦狀。自由電子雷射裝置通常由加速器、波蕩器和光束線站系統三部分組成。
自由電子雷射裝置示意圖
為分子「拍電影」
如果說第三代同步輻射光源是為分子「拍照」的話，那麼X射線自由電子雷射就是為分子「拍電影」。也就是說，第三代光源只能讓人看到微觀世界物質的結構，而新一代光源則能記錄下微觀世界物質的動態過程。
電影的誕生與19世紀末的一個爭論有關：馬在奔跑時，是否會四蹄騰空？一位攝影師設計了一套連續拍照的裝置，將馬奔跑的過程「分解」為一幀幀照片，這才找到了答案。以每秒24幀的速度拍攝的畫面，播放時可形成視覺上連續不斷的動態影像，也就是電影；而X射線自由電子雷射可以拍攝幾千甚至多達10萬張高質量的照片，能夠獲得超高清晰的動態影像，堪稱名副其實的超級高速攝影機。
與人類生活息息相關的很多物理和化學過程，本質上都是原子和分子過程。以往，科學家只能通過靜態的圖像推測原子和分子的運動；有了這樣的超級高速攝影機，科學家就能夠觀測到更加精細的動態變化，看到分子如何在細胞裡「舞蹈」，電子如何從一個分子「跑」向另一個分子……
拍攝分子電影
微觀世界追光人
2009年，在趙振堂研究員的帶領下，上海應用物理研究所組建了不到30人的自由電子雷射團隊，投入對新一代光源的研究中。同年建成了高增益自由電子雷射綜合研究平臺——上海深紫外自由電子雷射裝置（簡稱深紫外裝置）。加速器學科是對裝置依賴性非常高的一個研究領域，為了與國外掌握更先進設備的同行進行競爭，研究團隊充分利用當前的裝置條件，另闢蹊徑，選擇了幾個開拓性的方向作為突破口。
上海深紫外自由電子雷射裝置
天道酬勤，上海應用物理研究所自由電子雷射研究團隊的努力也結出了累累碩果，「全相干自由電子雷射的前沿實驗研究與新原理探索」項目榮獲2018年上海市自然科學獎一等獎，趙振堂研究員於2019年當選為中國工程院院士。
項目主要完成人
（自左至右：鄧海嘯 馮超 趙振堂 劉波 王東）
趙振堂院士
X射線自由電子雷射裝置外形狹長，似一柄光劍。它們通常與第三代同步輻射光源放置於同一園區，從而構成光子科學研究中心。在上海張江也是如此。「鸚鵡螺」+「光劍」，強強聯手，發出的光照亮微觀世界，也照亮人類探索物質奧秘的科學之路。
（原載於《科學畫報》2020年第1期，本文受到上海科委2019年度「科技創新行動計劃」科普領域項目資助。項目名稱：「立足科創中心，傳播尖端科技——打造上海重大獲獎科技成果科普化融媒體專欄」；項目編號：19DZ2332600。）
本文選自《科學畫報》
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