一根原本连续的纤细水柱突然从中间裂开，被某种无形的力量劈成了两半，变成了两把“小伞”的模样：
圆圆的水珠突然“爆炸”，水花四溅……
是谁把小水滴爆了头？是一道超强、超快的X射线脉冲光。美国斯坦福大学SLAC国家加速器实验室的研究者们记录下了这一幕水与X光的碰撞，当激光击中小水滴和水珠，高能量的脉冲将接触的水瞬间蒸发，便展现出了这幅奇景。最近，这项研究成果登上了《自然·物理》期刊[1]（点这里可以阅读论文全文）。而研究者们也将记录下的画面旋转90度，配上色彩，加上音乐，制造出了这些更具艺术性的影像。
配乐完整版。视频来自：SLAC National Accelerator Laboratory
世上最亮的X光
当然，这不是普通的X光，而是直线加速器相干光源（LCLS）发出的X射线脉冲激光。目前，这台设备可以发出世界上“最亮”的X射线。
X光是一种波长极短的电磁波（0.01~10纳米）。我们都知道X射线的穿透力，以及那些用低剂量X射线拍成的CT与胸片。而在科学研究中，X射线还有更多用途。它的波长范围正好与原子、分子之间的作用距离处于同一尺度。所以，科学家们用X光来探测物质的微观结构。为了能够看得更清晰，科学家们不断地制造出强度更高的X光。
LCLS是什么？简单来说，它就像是一个长达数公里的电磁炮筒，让电子在磁场中不断加速至接近光速，同时辐射出高能量的X光，这种产生X射线激光的方式被称为“X射线自由电子激光”（XFEL）。它产生的相干X光单脉冲亮度比上一代光源高一万倍，脉冲频率可达一百万赫兹，峰值强度高达1020W/cm2。LCLS就像科幻小说中的激光大炮一样发射着X射线激光，它可能算得上是世界上最大的“大炮”了。
斯坦福直线加速器中心的航拍照片。图片来自：wikipedia
从这个“激光大炮”中发射出的X光强度高、频率快，能产生飞秒级别的超短促脉冲，这些独特的性质使得它特别适合为微观物质进行“拍照”。科学家们已经用LCLS观察到了化学键的改变、以及病毒蛋白质的三维结构。这种亮度极高的X射线成像方式大大提升了曝光速度，这使得科学家们甚至有机会用它拍摄到一个蓝藻的活体状态。对于普通的x光机而言，给活体微生物拍个“透视片”几乎是不可能完成的任务，这是因为在成像完成之前，x光就足以将它们杀死。而LCLS可以在极短时间内提供足够清晰的成像，这就赶在蓝藻被破坏之前留下了清晰的活体影像。
用LCLS拍下的蓝藻活体状态。图片来自：slac.stanford.edu
LCLS与普通X光的对比，两种情况下，高能的X光都会让蓝藻细胞挂掉，不过LCLS的成像特别快，在蓝藻挂掉之前就可以完成了……示意图来自：slac.stanford.edu
X射线与水滴的碰撞
研究了那么多细胞、蛋白质和化学键之后，科学家们为什么又用X射线“大炮”轰起了水滴？其实，这些水滴和水流也是实验中重要的一部分。在LCLS技术中，为了让X射线激光不偏不倚地拍到样品，科学家们通常会用水作为载体，把要观察的样品输运到“靶心”。同时，科学家也会用水来检测X光的路径与位置。
在此之前，人们对这些载体并未多加留意。而这一次，克劳迪乌·斯坦（Claudiu Stan）和他的同事们突发奇想，记录下了X射线激光与水滴和水流相遇时发生的事情。这些小水滴和水珠的直径约有几十微米，它们被注入到真空腔内，并被强大的脉冲X射线击中。由于激光的速度太快，与水作用时间只有百万分之一秒，所以他们使用了一种特殊的超高速摄影技术，将整个过程拍下来。在这些影像资料中，我们可以看到水滴吸收X光能量之后若干微秒、甚至若干纳秒内的变化。
实验装置示意图。水流（蓝色）注入，与垂直的X射线激光脉冲相遇，并利用特殊的成像方法进行记录。图片来自：参考文献1
研究者们发现，如果X光脉冲击中水滴的中轴，那么水滴也会对称地向两边炸开。水滴被撕裂开，细小的液滴和水蒸气形成了迅速膨胀的圆盘状“云”，在“云”的外侧，液滴被推开形成向外扩张的薄膜，周围的液滴也被推开。
被X射线击穿的小水滴（直径40微米），这里展现的过程只经历了110纳秒。图片来自：参考文献1
而当面对纤细的水流时，X光脉冲首先会在水柱上撕开一个小口，接下来裂口逐渐扩大，扩散的水蒸气将液体向两边推挤，形成了圆锥形的液膜，液膜又渐渐“收紧”，最终与水流重合起来。水流“撕裂”的速度受X光能量控制，同时也与水流的表面张力有关。
X射线劈开水柱。图片来自：参考文献1
当然，这绝不仅仅是一场满足好奇心的科学秀。通过收集X射线激光引起水“爆炸”的实验数据，可以建立数学模型，以便定量预测这种“爆炸”对水和样品的影响。这一方面可以帮助研究人员避免样品被破坏或是实验被干扰，另一方面，它还可以帮助科学家们用X射线激光来改变物质的形态，并进行极端条件下的研究。（编辑：窗敲雨）
参考资料：
- Claudiu A. Stan, Despina Milathianaki, Hartawan Laksmono, et al. Liquid explosions induced by X-ray laser pulses. Nature Physics (2016) doi:10.1038/nphys3779
- http://www.sinap.cas.cn/kxcb/kpwz/201603/P020160306543322769776.pdf