早上7点，闹钟响了。痛苦挣扎一番之后，我才终于强迫自己离开了温暖的被窝。洗漱，换衣服，收拾东西，离开了位于曼哈顿上西区的公寓，坐地铁去95街的Hertz租赁点取我预订好的SUV，把车开到168街的哥大医学中心取实验样品和工具，出来转上I-95高速路，汇入了去往长岛方向的车流之中。
一个多小时之后，已经远离了纽约市区，转下高速路不久就到了布鲁克海文国家实验室。实验室园区的安检在9·11之后明显加强了很多，不但需要专门的证件，还要提前预约进出的日期。园区里的建筑形状各异，最高的楼不过三四层，而更多的则是平房，散布在树林、灌木和草坪之中。树荫下有安静歇憩的小鹿，草地上有四处觅食的火鸡和野鸭。它们间或还会大摇大摆地横穿马路，把过往的车辆视若无物。
我此行的目的地是园区内一幢占地面积很大，却很低矮的白色建筑——美国国家同步辐射光源（National Synchrotron Light Source，NSLS）。刷卡进门，来到早已预约好的X4线站。时间离12点还早，排在我前面时间段的人还在线站上工作。于是我先去办公服务楼拿了客房钥匙，到住宿楼把个人用品安置好，再开车去附近小镇上的中餐馆吃了顿午饭，临走还买了三份外卖带着——那将是我今天的晚餐和宵夜，以及明天的午餐。
回到X4线站已经是中午12点半了。排在我前面的人正在计算机上把测得的实验数据拷贝到自己的移动硬盘里，同时上传到自己实验室的服务器上。传输几十上百GB的数据需要不少时间，一时半会儿完不了，好在他已经收拾好了自己的实验用品，给我腾出了工作空间。线站管理员则已经把线站的参数调整到了我预订的数值，并做好了优化。
万事具备，开工！
上面这些文字不是小说，更不是科幻，而是我一年当中某些日子的真实工作写照。如此大费周张，只是为了能够连续24小时应用同步辐射光源进行结构生物学的相关研究。之所以要来同步辐射光源，是因为它能提供高亮度的X射线，俗称X光。当然，所谓“高亮度”指的是X射线的强度很高，而非通常意义上的“亮”。毕竟，X射线的波长只有0.01纳米至10纳米，远远低于人眼的极限——380纳米。可以说，它是一种隐形的光线。
偶然的诞生
如果时光倒退回一个多世纪以前的1895年，人类的词典中还没有X射线这个词汇。在这一年，腐朽的满清政府输掉了甲午战争。而在地球的另一边，德国维尔茨堡大学物理系的系主任威廉·康拉德·伦琴教授在对一种称为克鲁克斯管的阴极射线（也就是电子流）管进行研究时，偶然发现了一种穿透力极强的未知射线，并将之命名为X射线。
在接下来的实验中，为了避免任何可能影响到自己学术声誉的错误结果，伦琴始终使用X射线这一代号，秘密地研究其各种性质。在研究X射线的穿透力时，伦琴请自己的夫人将手放在感光底片和能够产生X射线的阴极射线管之间，照出了世界上第一张X射线透射照片。伦琴夫人的指骨以及婚戒在照片上清晰可辨。
次年1月，当这一研究成果发表在学术期刊上之后，新闻界习惯性地以发现者的名字将之命名为伦琴射线，以突显这一发现的伟大。然而，伦琴本人在其后的论文中始终坚持使用最初的称谓——X射线。于是，X，一个象征着未知的字母，就永远成为了这种隐形光线的正式名称。而伦琴发现X射线的克鲁克斯管则成为了后来X射线管的雏形，沿用至今。
由于波长短，能量高，X射线与物质原子发生作用的几率小，因而具有很强的穿透性。很多人对于X射线的第一印象可能都是超人那双可以看穿一切——除了铅板——的眼睛。在现实生活中，体检拍的胸透、看病照的CT、机场和重要场所用的安检仪、工业用的探伤仪，这些都依赖于X射线的穿透力。此外在科研领域，X射线也是一种非常重要的实验手段，广泛应用于物理、化学、生物、材料等不同的科研领域，包括我在美国国家同步辐射光源所从事的结构生物学研究。
X射线管中的电子“碰碰车”
在X射线管的阴极一端，灯丝在高温下发光的同时，还放射出大量的电子。这些电子受电场的作用加速，受磁力透镜或静电透镜的作用聚焦，最终轰击到X射线管另一端的金属阳极上，并将金属原子的电子撞出其原来的轨道。这些脱离了束缚的电子跑不了太远，很快又被金属的原子核捕捉到其空旷的外层电子轨道中。当这些电子从高能级的外层轨道落入低能级的内层轨道时，多出来的这部分能量会以电磁波的形式释放，也就是X射线。这一过程的逆过程就是令爱因斯坦莫名其妙获得诺贝尔奖的“光电效应”。
然而，X射线管产生的X射线光强只能满足于一般的医疗和工业应用，却不能满足科学家对于强X射线的需求。1913年出现了真空X射线管，因为避免了阳极氧化、空气吸收等问题，从而得以提高X射线的强度。上世纪六十年代发明了旋转阳极技术，辅之以强大的冷却系统，可以获得相当强的X射线。这也是目前在实验室内可以获得的最强X射线。
除了强度受限，X射线管还有一个特点：产生的X射线波长固定。我们知道，光具有波粒二象性，其电磁波的波长与其光子的能量是相对应的。X射线管的工作原理决定了其产生的光子能量以某几个确定的值为主，因而最强的X射线只出现在某几个确定的波长上。具体的波长由金属的种类所决定。目前比较常见的阳极金属是铜，其产生的X射线特征波长有两个，通常采用的是其中能量较强的一个，波长为0.15418纳米。
确定的波长对于某些实验而言是大大的好事，对于另一些实验而言则是大大的不妙。如何能获得波长可调且强度更强的X射线？这个问题摆在了物理学家们的面前。
同步的合唱
俗话说：“有意栽花花不开，无心插柳柳成荫。”科学上的事情往往也是如此，最关键的发明或发现往往并非有意为之。
在上世纪四十年代，随着对物质结构探索的需求，人们开始建造一些大型的粒子加速实验设施，电子同步加速器是其中相当重要的一种。在电子同步加速器中，一团团电子被电场加速到接近光速的速度，再通过强大的磁场来控制其方向，使之沿着环形真空轨道“跑圈”。如果让一团电子与一团正电子沿相反的方向跑圈，它们将以极高的相对速度迎头对撞，这就是正负电子对撞机中所发生的事情。
1946年，通用电气公司下属实验室在其电子同步加速器的运行中，发现了沿圆周切线方向射出的X射线辐射，并因此将之命名为同步辐射。这一辐射的产生是由于电子以接近光速的速度运行时，体现了明显的相对论效应所造成的。由于X射线是沿切线方向射出的，所以一系列的X射线相关设备也是沿着环形轨道的切线方向展开的，被称为线站。从顶上看，同步辐射设施与小朋友所画的太阳到颇有几分相像。
同步辐射产生的X射线光谱连续、准直性好、功率大、亮度高，是理想的用于科学研究的X射线源，满足了其它研究领域对强大X射线源的要求。特别是光谱连续这一点，令科学家们如获至宝。如果说他们以前所拥有的只是某几种“颜色”的X射线，那么现在他们拥有的就是“白光”——由所有“颜色”共同组成的X射线。于是，高能物理学家和其它领域的科学家们开始共用电子同步加速器，各取所需。这就是第一代同步辐射光源，世界上目前仍有约17台在运行中。
我国的北京正负电子对撞机最初设计时并未考虑同步辐射方面的应用。但随着高能物理学的迅猛发展，北京正负电子对撞机现有的能量水平已经无法再满足高能物理前沿研究的需要。2004年，它圆满完成了其作为高能物理研究设施的历史使命，经过一系列改造，转而成为同步辐射X射线光源，为国内众多需要使用强X射线的研究人员提供服务。
北京正负电子对撞机改造为同步辐射后的X射线线站
同步辐射产生的X射线来自于环形轨道中高速运动的电子团，两者紧密相关。然而不幸的是，高能物理实验对于电子团运行参数的要求往往与产生X射线的要求相去甚远。简单地说：用X射线时不能做高能物理实验，做高能物理实验时不能用X射线。这令高能物理学实验与需要使用X射线的实验之间产生了无法解决的矛盾。由于第一代同步辐射建设时大都是以高能物理研究为目标的，因此很难满足日益扩大的对同步辐射X射线的需求。
最终，这两种应用还是分道扬镳了。专门用于产生X射线，却不进行任何高能物理实验的同步辐射光源出现了，即为第二代同步辐射光源。包括前面提到的美国国家同步辐射光源在内，世界上共有约23台第二代同步辐射光源仍在运行中。
“甩”出来的X射线
虽然同步辐射的原理涉及相对论，看似深奥，但我们不妨来看看一个生活中常见的例子。假如用一根绳子栓住一块吸饱了水的海绵，再把它抡起来甩成圆圈，那么不难想像，海绵中的水一定会沿圆周的切线方向被甩出去。同步辐射产生的X射线就好像是从绕圈的电子中被“甩”出来的能量。实际上，同步辐射的环形轨道并不是一个完美的圆形轨道，而是由若干直线段与弧线段交替拼接而成。X射线只在弧线轨道中产生，曲率最大的点就是产生X射线最强的点。
由于不进行任何高能物理实验，环形轨道中电子团的唯一使命就是为产生X射线储备能量。于是，第二代同步辐射的环形轨道不再称为电子同步加速器，而是改称储能环。在运行过程中，环形轨道中的电子会不断损耗，其产生的X射线也会越来越弱，所以同步辐射需要每隔一段时间重新注入电子团进行补充。
一般的同步辐射每天要在固定时间注入两至三次。注入期间没有X射线，所有线站上的工作都不得不暂停下来。这正是我们每次在同步辐射工作时得以喘口气的时间：或者开车出去买杯咖啡，或者趴在桌上打个盹，难得的清闲。除去每次注入的半个小时，同步辐射始终处于运行状态，每年只有集中的几周时间停止运行，用于维护和升级。
虽然有了“一心一意”提供X射线的第二代同步辐射，可是“贪心不足”的科学家们仍旧不满足于已经得到的X射线强度。如何能获得更强大的人造X射线源呢？新的问题又摆在了物理学家们面前。
（未完待续）
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