漢堡的X光雷射裝置
2007年7月22日「基石已經奠定。這裡將要落成的,絕對世界頂尖。」這番大話,所指的是一台大裝置。說這番話的,不是別人,而是德國聯邦科研女部長沙萬。這台裝置,學名「X光自由電子雷射裝置」,英文縮寫XFEL,簡稱X光雷射裝置。它的長度,準確說來是3.4公里長,明年開始破土動工,預計2013年落成,開始發光。
這台裝置是由漢堡的德國電子同步加速器研究中心DESY主持開發的。它的特點何在呢?該中心的物理學家特羅伊施(Rolf Treusch)介紹說:「這台裝置主要是由一個電子直線加速器構成的。加速器終端出來的雷射將是前所未有的,它的波長在X光波段,比人們至今得到的雷射的波長要短得多。」
1895年,德國物理學家倫琴發現了X光,一種人的肉眼看不見的光。二十世紀六十年代,科學家又發明了雷射。為了把X光波長短、穿透力強的優勢和雷射亮度高、單色性和方向性好的特點結合起來,科學家們做了一系列探索。1984年,美國在實驗室首次獲得了X光波段的雷射,也就是X光雷射。又經過20多年的科研努力,科學家們終於可以建造大型X光雷射裝置了。特羅伊施不無自豪地表示:「我們將要得到的光,強度很高,波長極短,而且都乖乖地朝前『看』,也就是說方向性極好,正像人們對雷射所期待的那樣。」
就像人們所熟悉的到醫院檢查,拍X光片透視內髒一樣,X光雷射也是用來透視物質的,只不過它能透視的完全是另一個數量級的物質,它可以透視到原子。
雷射裝置的核心零件是建在地下6米到38米深處的隧道中、全長3.4公里的直線加速器,它就像一條跑道,可以把電子加速到令人難以置信的速度,準確說來就是幾乎每秒鐘30萬公里。特羅伊施介紹說:「我們先把電子從原子中分離出來,形成電子束,然後再通過我們的直線加速器,把這些電子束加速到接近光速的速度。隨後再讓它們通過一個特殊的磁體。這是一個磁場交替變化的扭擺磁體,電子通過時也會做扭擺運動,從而失去能量,而這些能量是以雷射的形式輻射出來的,就像探照燈一樣。」
如此生成的X光雷射,能量極大,比今天已有設備產生的X光要強出上億倍。那麼科學家們要這麼強的X光做什麼用呢?他們希望透視各種不同的微觀物質,透視蛋白質、半導體的分子結構,也透視地理樣品。由於X光雷射的亮度很高,快門時間可以很短,所以它是一種非常有利的工具,用於研究微觀範圍內瞬間狀態的演變過程,比如說利用一定波段的X光雷射就可以研究活細胞的演變過程,這對研究生命科學是非常有價值的。該項目負責人阿爾塔萊利(Massimo Altarelli)還介紹說:「利用X光雷射,我們就可以更好地瞭解化學反應的過程,或者仔細研究恆星內部不同尋常的物質狀態是怎麼回事兒。可以說,所有的學科,無論是材料科學、化學、天文物理學,還是生命科學的各個領域比如分子生物學等等,都可以利用我們的裝置進行探索,而且肯定是獲益匪淺。」
舉例來說,分子生物學家就希望能夠拍到一個個蛋白質分子的圖片,結果可有助於設計新藥,專門針對蛋白質上的缺陷「對症下藥」;化學家希望能夠拍攝下化學反應的過程,然後再超慢速地播放,看一個個原子是怎樣互相反應的,結果可有助於開發新的汽車尾氣淨化器。
X光雷射裝置雖然建在漢堡,但它卻是一個歐洲項目。除德國以外,還有12個國家參與,其中包括法國、英國、俄羅斯,還有中國。上屆德國政府2003年曾要求,其它國家應提供一半的經費。畢竟,也被比喻成燈塔的X光雷射裝置,它的一期建造工程就將耗資8.5億歐元,項目總費用將達10.8億歐元。但這一要求卻未能實現。科研部長沙萬說:「我們爭取到了25%。我認為,這個項目必須上馬。25%的結果也是不錯的,也表明了很好的國際合作夥伴關係。我們需要這個燈塔。所以現在達到的籌資模式是現實、可行的。」
德國之所以在籌資模式未能如願以償的情況下,還是推動項目上馬的背景是,國際上競爭激烈,因為日本和美國已經開始建造類似裝置了。因此,歐洲人不得不盡早行動,拿出自己的X光雷射裝置以作回應,否則的話,專家們擔心,在國際科研的激烈競爭中,歐洲將會落後,陷入依賴他人的不利境地。