物理学界正齐聚欧洲核子研究中心的“大型强子对撞机”，该对撞机在一次漫长的升级和多年的停顿后即将重新启动。但这并不是唯一一台获得新能量的科学机器。近6000英里外，在地球的另一端，另一台机器正在进行最后的润色。
SLAC国家加速器实验室，位于旧金山以南，拥有一台名为LCLS的大型激光器，科学家们利用它通过X射线观察分子。“看待LCLS这样的设施，就像看待一台超分辨率显微镜，”该设施主任Mike Dunne说。
现在，LCLS刚刚完成了一次名为LCLS-II的重大升级——将激光冷却到仅比绝对零度高几度。
为粒子加速器注入新生命
半个世纪前，SLAC的隧道里就有一个粒子加速器。尽管如今大多数粒子加速器都将它们的“猎物”盘旋于圆形轨道中，但这个加速器却是笔直的。为了让电子达到碰撞所需的惊人速度，它必须超过2英里长。自开放以来，它曾是“世界上最长的建筑”。（这条绵延数英里的直线穿过山麓，是如此独特，以至于飞行员用它来导航。）
1966年，这台所谓的斯坦福直线加速器投入使用，是一项工程奇迹。在接下来的几十年里，在那里进行的粒子物理学研究至少获得了三项诺贝尔物理学奖。但到了21世纪，它已成为一种遗物，被欧洲核子研究中心和其他地方的更先进的加速器所超越，那些加速器能够以更高的能量碰撞粒子，并看到斯坦福看不到的事物。
然而，那条长达2英里的建筑仍然保留着，并在2009年，SLAC为其配备了一台新设备：相干光源激光器（LCLS）。
LCLS是一种名为X射线自由电子激光器（XFEL）的设备。尽管它是一台激光器，但与逗猫玩耍的小型手持激光笔没有太多共同之处。那些激光器使用二极管等电子元件产生激光束。
另一方面，XFEL与粒子加速器有着更多的共同之处。事实上，粒子加速是它的第一阶段，将电子束加速到接近光速。然后，这些电子会穿过一个由磁铁组成的“炼狱”，迫使它们在快速的来回切换中之字形运动。在这个过程中，电子将它们巨大的能量以X射线的形式向前发射。
这样做可以产生从微波到紫外线再到可见光的所有类型的电磁波。但科学家们更喜欢使用X射线。这是因为X射线的波长大约与原子大小相当，当它们被聚焦成强大的光束时，就能让科学家们窥探分子内部。
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LCLS与世界上大多数其他X射线源不同。加州的这束光束工作起来像频闪灯。“每一次闪光都能捕捉到该分子在特定状态下的运动，”Dunne说。
LCLS最初每秒可以发射100次闪光。这使得科学家们能够拍摄化学反应的电影，观察原子之间的键如何形成和断裂，以及如何形成新的分子。它很快就能以每秒快数千倍的帧率拍摄电影。
冷却激光器
在其最初的版本中，LCLS使用铜结构来加速其电子。但增加整个机器的功率正在 pushing the limits of that copper（这铜已经达到了极限）。“铜的电流太大，会熔化，就像保险盒里的保险丝烧断一样，”Dunne说。
有一个解决方案：一种叫做超导性的奇特的量子效应。
当您将材料的温度降低到某个临界温度以下时，其电阻会几乎降为零。这样，电流就可以无限期地流动，而不会将能量以热量的形式散失给周围环境。
LCLS绝不是第一台使用这类技术的激光器。问题在于达到那个温度——通常是比绝对零度高几度——并非易事。
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“支持这些冷却到极低温度的低温系统变得非常困难，”康奈尔大学物理学家Georg Hoffstaetter说，他曾从事这项技术的研究。有一些超导材料可以在不那么严苛的温度下工作，但它们都无法在数百英尺长的空间中使用。
一个小型设施可能会被这个挑战吓倒，但SLAC在该结构的一端建造了一个仓库大小的冰箱。它使用液氦将加速器冷却到-456°F。
超导性还有个好处，就是使系统更节能；大型物理设施以消耗的电力相当于一个小国家而臭名昭著。“超导技术本身在某种程度上是一种绿色技术，因为加速器的大部分能量不会转化为热量，”Hoffstaetter说。
当升级完成后，全新升级的LCLS-II不仅能每秒提供100个脉冲，甚至能达到一百万个。
如何利用每秒一百万帧
Dunne表示，大致有三个主要领域可以推动科学发展。首先，X射线束可以帮助化学家弄清楚如何使用更少的材料来加速反应，这可能带来更环保的工业流程或更高效的太阳能电池板。
其次，这项工具可以帮助生物学家进行药物发现等工作——研究药物如何影响人体内难以通过其他方法研究的酶。
第三，这束光可以帮助材料科学家更好地理解材料在极端条件（如X射线轰击）下的行为。科学家们还可以利用它来设计新材料——例如，更好的超导体，以便建造像这样的未来物理学机器。
当然，也有一个难点。与任何此类大型机器的重大升级一样，物理学家需要学会如何使用他们的新工具。“你必须从头开始学习如何做这项科学研究，”Dunne说。“这不仅仅是你以前做的事情……这是一个全新的领域。”
科学家们需要解决的一个问题是如何处理激光产生的数据：每秒一太字节。这已经是一个大型设施面临的障碍，如果网络和超级计算机跟不上，这个问题可能会变得更加严峻。
即便如此，这也没有减弱物理学家对改进的热情。科学家们已经在规划又一次更新，定于2020年代后期进行，届时将提高其能量，并使其能够更深入地探索原子世界。
