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一根原本連續(xù)的纖細(xì)水柱突然從中間裂開，被某種無形的力量劈成了兩半,，變成了兩把“小傘”的模樣：
圓圓的水珠突然“爆炸”,，水花四濺……
是誰把小水滴爆了頭？是一道超強(qiáng),、超快的X射線脈沖光,。美國斯坦福大學(xué)SLAC國家加速器實驗室的研究者們記錄下了這一幕水與X光的碰撞,，當(dāng)激光擊中小水滴和水珠,，高能量的脈沖將接觸的水瞬間蒸發(fā)，便展現(xiàn)出了這幅奇景,。最近,，這項研究成果登上了《自然·物理》期刊[1]（點這里可以閱讀論文全文）。而研究者們也將記錄下的畫面旋轉(zhuǎn)90度,，配上色彩,，加上音樂，制造出了這些更具藝術(shù)性的影像,。 配樂完整版,。視頻來自：SLAC National Accelerator Laboratory 世上最亮的X光當(dāng)然，這不是普通的X光,，而是直線加速器相干光源（LCLS）發(fā)出的X射線脈沖激光,。目前，這臺設(shè)備可以發(fā)出世界上“最亮”的X射線,。 X光是一種波長極短的電磁波（0.01~10納米）,。我們都知道X射線的穿透力，以及那些用低劑量X射線拍成的CT與胸片,。而在科學(xué)研究中,，X射線還有更多用途。它的波長范圍正好與原子,、分子之間的作用距離處于同一尺度,。所以，科學(xué)家們用X光來探測物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),。為了能夠看得更清晰,，科學(xué)家們不斷地制造出強(qiáng)度更高的X光。 LCLS是什么,？簡單來說,，它就像是一個長達(dá)數(shù)公里的電磁炮筒，讓電子在磁場中不斷加速至接近光速,，同時輻射出高能量的X光,，這種產(chǎn)生X射線激光的方式被稱為“X射線自由電子激光”（XFEL）,。它產(chǎn)生的相干X光單脈沖亮度比上一代光源高一萬倍，脈沖頻率可達(dá)一百萬赫茲,，峰值強(qiáng)度高達(dá)1020W/cm2,。LCLS就像科幻小說中的激光大炮一樣發(fā)射著X射線激光，它可能算得上是世界上最大的“大炮”了,。
從這個“激光大炮”中發(fā)射出的X光強(qiáng)度高、頻率快,，能產(chǎn)生飛秒級別的超短促脈沖,，這些獨特的性質(zhì)使得它特別適合為微觀物質(zhì)進(jìn)行“拍照”?？茖W(xué)家們已經(jīng)用LCLS觀察到了化學(xué)鍵的改變,、以及病毒蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。這種亮度極高的X射線成像方式大大提升了曝光速度,，這使得科學(xué)家們甚至有機(jī)會用它拍攝到一個藍(lán)藻的活體狀態(tài),。對于普通的x光機(jī)而言，給活體微生物拍個“透視片”幾乎是不可能完成的任務(wù),，這是因為在成像完成之前,，x光就足以將它們殺死。而LCLS可以在極短時間內(nèi)提供足夠清晰的成像,，這就趕在藍(lán)藻被破壞之前留下了清晰的活體影像,。
X射線與水滴的碰撞研究了那么多細(xì)胞,、蛋白質(zhì)和化學(xué)鍵之后，科學(xué)家們?yōu)槭裁从钟肵射線“大炮”轟起了水滴,？其實,，這些水滴和水流也是實驗中重要的一部分。在LCLS技術(shù)中,，為了讓X射線激光不偏不倚地拍到樣品,，科學(xué)家們通常會用水作為載體，把要觀察的樣品輸運(yùn)到“靶心”,。同時,，科學(xué)家也會用水來檢測X光的路徑與位置。 在此之前，人們對這些載體并未多加留意,。而這一次,，克勞迪烏·斯坦（Claudiu Stan）和他的同事們突發(fā)奇想，記錄下了X射線激光與水滴和水流相遇時發(fā)生的事情,。這些小水滴和水珠的直徑約有幾十微米,，它們被注入到真空腔內(nèi)，并被強(qiáng)大的脈沖X射線擊中,。由于激光的速度太快,，與水作用時間只有百萬分之一秒，所以他們使用了一種特殊的超高速攝影技術(shù),，將整個過程拍下來,。在這些影像資料中，我們可以看到水滴吸收X光能量之后若干微秒,、甚至若干納秒內(nèi)的變化,。
研究者們發(fā)現(xiàn),，如果X光脈沖擊中水滴的中軸，那么水滴也會對稱地向兩邊炸開,。水滴被撕裂開,，細(xì)小的液滴和水蒸氣形成了迅速膨脹的圓盤狀“云”，在“云”的外側(cè),，液滴被推開形成向外擴(kuò)張的薄膜,，周圍的液滴也被推開。
而當(dāng)面對纖細(xì)的水流時，X光脈沖首先會在水柱上撕開一個小口,，接下來裂口逐漸擴(kuò)大,，擴(kuò)散的水蒸氣將液體向兩邊推擠，形成了圓錐形的液膜,，液膜又漸漸“收緊”,，最終與水流重合起來。水流“撕裂”的速度受X光能量控制,，同時也與水流的表面張力有關(guān),。
當(dāng)然,，這絕不僅僅是一場滿足好奇心的科學(xué)秀,。通過收集X射線激光引起水“爆炸”的實驗數(shù)據(jù),，可以建立數(shù)學(xué)模型，以便定量預(yù)測這種“爆炸”對水和樣品的影響,。這一方面可以幫助研究人員避免樣品被破壞或是實驗被干擾,，另一方面，它還可以幫助科學(xué)家們用X射線激光來改變物質(zhì)的形態(tài),，并進(jìn)行極端條件下的研究,。（編輯：窗敲雨） 參考資料：
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斯坦福直線加速器中心的航拍照片,。圖片來自：wikipedia
LCLS與普通X光的對比,，兩種情況下,，高能的X光都會讓藍(lán)藻細(xì)胞掛掉，不過
實驗裝置示意圖,。水流（藍(lán)色）注入,，與垂直的X射線激光脈沖相遇，并利用特殊的成像方法進(jìn)行記錄,。圖片來自：參考文獻(xiàn)1
被X射線擊穿的小水滴（直徑40微米）,，這里展現(xiàn)的過程只經(jīng)歷了110納秒,。圖片來自：參考文獻(xiàn)1
X射線劈開水柱。圖片來自：參考文獻(xiàn)1
