2010年夏天，牛津大学物理学家贾斯汀·沃克（Justin Wark）飞往北加州，研究恒星的内部结构。在那里，他寻找的不是望远镜，而是一种新型激光器，其长度超过3500英尺，能够发出比地球上任何设备曾经产生过的X射线亮十亿倍的光。这次飞行是值得的。在用X射线轰击金属箔（模拟恒星等离子体，即电离气体）的60小时里，沃克获得的数据比他过去25年里任何一次单次实验都要多。
LCLS（直线加速器相干光源）主任迈克·邓恩（Mike Dunne）表示，这台设备能够运转本身就已经很了不起，因为以前从未有人制造过这种规模的激光器。LCLS的庞大尺寸以及几乎所有方面都充满了赌博的性质。
20世纪60年代，斯坦福大学和美国能源部建造了当时世界上最长的直线粒子加速器。斯坦福直线加速器（SLAC）以接近光速的速度使电子和其他粒子碰撞，使物理学家们能够获得关于基本粒子夸克的诺贝尔奖级别的发现。
但到了千禧年之交，出现了更强大的机器，该加速器基本上已经过时了。“如果没有任何改变，这个系统早就被关闭了，”邓恩说，“但与此同时，出现了一个想法，几乎是一种猜想。”
科学家们认为，粒子加速器可以被改造，以一种类似激光的方式产生X射线——通过激发原子产生的光束。而这种激光般的行为，如猜想所述，可以创造一种以前所未有的原子细节来观察物质的工具。
计划相对直接。研究人员将加速器中高速运动的电子通过一个“波荡器”（一种使其之字形摆动的装置），它们的波动会以X射线的形式发射出高能辐射。关键问题是，这些X射线波是否能够对齐，这是产生“相干”激光光的必备条件。理论上是可以的，美国能源部为此下了半个亿美元的赌注。据邓恩说，结果“超出了所有人的预期”。
沃克在LCLS上的工作展示了其潜力。“我热衷于产生和诊断极端物质状态，”他说。这种X射线激光器不仅能重现恒星和行星内部的极端温度和压力，还能成像它们的原子结构。LCLS每秒脉冲120次，每次脉冲持续时间最短可达万亿分之一秒。沃克解释说，通过将这些X射线快照串联起来，“你可以制作一个关于正在发生的事情的小电影。”这种电影制作潜力也吸引了研究燃料化学反应或超导材料中电子行为的研究人员。
LCLS甚至帮助科学家们理解了光合作用，这是一个将阳光转化为能量的化学反应，其速度快且不可预测。劳伦斯伯克利国家实验室光合作用研究员顺子·野野（Junko Yano）表示，至关重要的是，LCLS在不冷冻植物样品的情况下工作——这是使用其他一些仪器所必需的。因此，科学家们知道他们看到的是更接近自然条件下的情况。
科学家们表示，LCLS是一个极其复杂的系统，需要来自不同领域的专家共同协作才能实现其实验。而这种跨学科的方法仍然很强大。例如，野野的团队就包括了可能永远不会互相交流的领域的科研人员，从生物学家到物理学家，以及化学家、工程师和计算机科学家。
基于这些合作的成果——以及从光合作用到恒星物理学等领域的新发现——能源部去年又追加了10亿美元的额外资金，用于在旧SLAC隧道内的另一个部分建造更先进的X射线激光器。LCLS-II将配备超导加速器，有望于2020年开始产生X射线。
LCLS-II可能需要更大程度的专业知识互动。新的超导加速器将使即将到来的激光器比LCLS快8000倍，亮度高10000倍，这需要X射线探测器、数据处理和分析方面的重大创新。“我们必须让所有这些同时进行，”邓恩指出，“我们认为，凭着纯粹的机缘巧合，它们可以在LCLS-II启动的时间尺度上汇集。”
他听起来并不特别担忧。这只是又一次对一台有着任何赌徒都会羡慕的连胜纪录的机器下的巨额赌注。
[本文最初发表于印刷版，标题为“原子电影机”。]
