1914年，德国科学家Max von Laue因发现晶体如何衍射X射线而摘得诺贝尔物理学奖桂冠，这一发现直接推动了X射线晶体学的出现。从那时以来，研究人员利用衍射推算出了越来越多复杂分子的晶体结构，从简单矿物到石墨烯等高科技材料，甚至还包括病毒。

　　随着技术进步，发现的步伐也在加速：每年数以万计的新结构留下影像。上世纪90年代，蛋白质晶体图片的分辨率已经达到能分辨单个原子的临界阈值。

　　Von Laue偶然间有了这样一个想法，当X射线穿过一个晶体时，由于原子的存在，它们将发生散射，然后就像拍打海岸的波浪那样互相干扰。在某些地方，一些波会加入到另一些波中，而在另一些地方则可能出现相互抵消。这样一来，衍射图样就能被用于计算那些分散原始X射线的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸铜样本证明了这一理论。

　　回顾晶体学的发展历程不难看出，X射线技术在其中扮演了重要角色，功能强大的X射线激光器推动着晶体学不断前进。

　　直击物质“心脏”

　　在美国加利福尼亚州帕洛阿尔托市附近的丘陵中，物理学家为世界上最快速的电子建造了一个“极端超越障碍训练场”。首先，粒子在一个长达3公里的真空管内加速到接近光速，然后它们将穿过一段磁铁，并被猛烈扭曲。最终出现强烈X射线暴，使它们足以穿透钢板。

　　不过，SLAC的科学家对武器并不感兴趣。他们的机器是全世界功率最大的X射线自由电子激光（XFELs）发射器之一，也是研究物质结构的一种工具。结构生物学家尤其能从XFELs中获益匪浅。SLAC的激光器发射出的X射线脉冲短到足以捕获分子运动的类似频闪灯的图片，并且强烈到足以为生物分子集群成像——这是传统技术难以完成的。XFELs正赋予生物学家新的方法扫描潜在的药物标靶、探讨光合作用粒子的结构等。

　　“毫无疑问，XFELs是颠覆性技术。”伊利诺伊州芝加哥大学晶体学家Keith Moffat说，“到目前为止，它远远超越了之前的技术，并正在改变人们做事的方式。”Moffat也是XFELs发射器科学顾问委员会成员。

　　但XFELs也是备受争议的技术，尤其是SLAC的直线性连续加速器光源（LCLS）更是如此。LCLS是世界上首个也是最大的XFELs发射器。2002年，面对研究人员的频频质疑，美国能源部（DOE）牵头开始建造LCLS。当时许多人质疑：即使假设这个未经证实的技术能够工作，LCLS未来的科学产出是否值得投入4.14亿美元呢？

　2009年LCLS开始运行后，争论逐渐消失，Moffat提到，“它按时按预算工作了，并且更突出、更方便”。日本紧跟其后，建造了自己的XFEL设备，欧洲则计划了一个功率更大的设备，将于2015年启动。预计在未来几年中，全球对XFELs的投入将达数十亿美元。但要充分发挥其潜力，这些设备还必须克服更多的技术障碍，从推进功率到更好地处理产生的数据等。

　　“物理学家、生物学家、激光科学家和高能密度学家—— 一个彻底的新团体正在形成，因为人们必须了解相关工作的所有程序。”瑞典乌普萨拉大学分子生物物理学家Janos Hajdu说，“很多发展必须统合在一起，以便完成这项工作。”