在人類肉眼無法觸及的微觀領域，分子與原子正上演著比任何好萊塢大片更震撼的“動作戲”。分子如同身懷絕技的特工，在萬億分之一秒內完成精準變形與重組；病毒蛋白外殼像特制鑰匙般突然變形，突破細胞防御；植物葉片中的光合系統更是在飛秒量級下拆解水分子，釋放出維持地球生命的氧氣。這些轉瞬即逝的動態過程，如今正通過一項革命性技術被定格為“分子電影”。
傳統觀測手段在此領域遭遇雙重困境。要捕捉原子級動態，需0.1納米級分辨率，這要求使用波長極短的X光。同步輻射技術雖能提供足夠亮度的X光，但其皮秒級脈沖時長遠超原子反應速度，導致畫面模糊。更棘手的是，X光的高能量會破壞生物樣品，而傳統成像又需長時間累積光子，往往在形成清晰圖像前，樣品已被摧毀。這看似無解的矛盾，迫使科學家尋找全新解決方案。
X射線自由電子激光（XFEL）的出現打破了僵局。這種裝置通過接近光速的電子束在周期性磁場中振蕩輻射，經自放大自發輻射機制產生超亮、超短脈沖的X射線。其核心流程包含三步：電子束在直線加速器中被加速至接近光速；高速電子進入由N、S極交替排列的磁鐵組成的波蕩器，在磁場作用下橫向振蕩并輻射X射線；輻射出的X射線與前方電子相互作用，形成共振并同步放大，最終產生飛秒甚至阿秒量級的超高亮度X射線激光束。這種特性使樣品在被徹底摧毀前完成成像，同時滿足原子級分辨率與飛秒級快門時間的需求。
拍攝“分子電影”的關鍵技術是泵浦-探測法。該方法類似電影拍攝流程：先用超短激光脈沖（如紅外光）激發樣品啟動反應，相當于發出“action”指令；隨后在精確延時后發射XFEL脈沖，通過成像、衍射或光譜分析捕捉樣品狀態。通過改變延時并重復實驗，科學家能將不同時刻的靜態圖像串聯成動態過程。這種技術已成功應用于兩大領域：在光合作用研究中，首次捕捉到光系統II中水分子裂變生成氧氣的關鍵中間態結構；在病毒學領域，解密了病毒蛋白在酸性環境下構象變化的完整路徑，為抗病毒藥物研發提供關鍵依據。
中國在該領域的突破性進展來自上海硬X射線自由電子激光裝置（SHINE）。這臺全球在建的少數硬X射線裝置之一，擁有3.1公里長的8GeV連續波超導直線加速器，每秒可產生百萬次脈沖，覆蓋0.2GeV至15GeV的寬能譜范圍。截至2025年7月，其土建工程已全部完成，注入器實現100MeV能量輸出且束流性能達標，超導直線加速器的18套低溫模組中14套全面達標，波蕩器部分已生產30套26mm周期平面波蕩器，其中4套完成隧道安裝。關鍵設備國產化率顯著提升，多種核心部件實現自主研制。
SHINE的配套系統同樣達到世界領先水平。4套大型低溫系統（含3臺4kW@2K制冷機）為超導腔提供近絕對零度環境，首臺制冷機已支持注入器運行。時間同步技術采用歐洲核子中心開發的“白兔”系統，精度達飛秒級。根據工程進展報告，該裝置預計2026年實現軟X射線首次出光，2027年完成硬X射線出光及整體驗收。盡管面臨低溫模塊量產合格率等挑戰，項目團隊正全力沖刺首束光目標。當這臺亞洲最亮的X射線光源啟用時，人類將獲得觀測自然最深層奧秘的終極工具。
