二戰期間，曼哈頓計劃的物理學家們曾擔心，納粹德國的核計劃可能會搶先美國及其盟友研製出第一顆核彈。歷史並未如此發展，但歷史學家們一直在爭論，德國人最後一次嘗試建造反應堆——B8反應堆
——究竟離實現臨界狀態有多近。領導該項目的維爾納·海森堡曾聲稱他們已經非常接近成功，只需要再多一點鈾。但根據發表在《美國國家科學院院刊：聯繫》（Proceedings of the National Academy of Sciences Nexus）上的一篇論文，事實並非如此：按照他們當時採用的設計，該項目根本沒有足夠的鈾和重水來製造一個可運行的反應堆。
這項研究要追溯到2013年，當時馬里蘭大學物理學家提摩西·科思（該新論文的共同作者之一）收到朋友贈送的一個神秘重金屬立方體。他立刻認出這是德國科學家在建造核反應堆的失敗嘗試中使用的鈾立方體之一。如今已知存世的此類立方體僅有14個。
2019年，我們曾報道過科思追查這個立方體來源的故事，以及其他幾個不知何故流落到大西洋彼岸的類似立方體。當時，科思和他的研究搭檔——時任研究生的米里亞姆·"米米"·希伯特——已經在美國各地追蹤到了十個這樣的立方體。例如，史密森學會就存有一個德國鈾立方體。他們還追蹤到第三個立方體，它存放在哈佛大學，經常在物理入門課程中被當作稀奇物件傳給學生觀看。
美國曼哈頓計劃的背後動力，源於人們擔心阿道夫·希特勒納粹政權下的德國科學家會搶先盟軍造出核彈。德國人當時領先兩年，但據科思介紹，"對有限資源的激烈爭奪、尖銳的個人恩怨以及低效的科學管理"導致他們在實現持續核反應方面進展嚴重滯後。德國的核科學家被分成三個相互隔絕的小組，分別駐紮在柏林（B）、戈托夫（G）和萊比錫（L）。
海森堡領導著柏林小組。1944年冬，隨著盟軍的推進，海森堡將團隊轉移到一個名為海格洛赫的小鎮城堡下方的一個洞穴里——如今這裡是原子地窖博物館的所在地。該小組就是在那裡建造了B8反應堆。據科思描述，它看起來像一個"不祥的吊燈"，因為它由664個鈾立方體用飛機纜繩串聯而成，然後浸入一個盛有重水的水箱中，外部用石墨隱藏以防止輻射泄漏。
就在德國科學家與時間賽跑之際，曼哈頓計劃負責人萊斯利·格羅夫斯中將啟動了一項代號為"阿爾索斯"的秘密行動，明確目標是收集與德國科學研究相關的資訊和材料。當盟軍逼近時，海森堡拆除了B8實驗裝置，將鈾立方體埋在一片田地里，並把關鍵文件藏進了一個廁所（可憐的物理學家山繆·古德施密特不得不把這些文件挖出來）。海森堡則騎著自行車逃走，背包里還裝著幾塊立方體。
一次關鍵的重新評估
正如海森堡所報告的那樣，德國科學家的最後一次實驗之所以失敗，是因為立方體中的鈾含量不足以觸發持續的核反應。但海森堡當時信心滿滿，認為"只需稍微增加其規模，就足以啟動能量產生的過程"。2009年發表的一篇論文中所描述的一個模型支持了這一說法，該模型顯示該團隊僅需多出50%的鈾立方體即可使該設計奏效。
科思和希伯特在國家檔案館中發現了一箱關於德國鈾的解密文件，並由此找到了戈托夫小組在另一項獨立反應堆實驗中使用的約400個其他鈾立方體。他們得出結論認為，兩組材料合併起來本應足以讓B8反應堆達到臨界狀態，這表明德國各小組之間保密、孤立的行事方式——即兩組人馬互不分享資訊和資源——阻礙了其核計劃的推進。
這篇最新論文是在早期研究的基礎上展開的，但得出了不同的結論。科思、希伯特及其合著者分析了兩個倖存下來的鈾立方體，並梳理了歷史記錄、技術報告、往來信件等檔案資料，以深入了解B8反應堆實驗所使用的鈾、重水和石墨塊的情況。
他們的發現之一是：B8反應堆要達到臨界狀態，需要1292到1775個鈾立方體，並且需要當時唯一的重水來源——挪威維莫克的諾爾斯克水電廠——在整個戰爭期間產量的兩倍。簡而言之，論文作者寫道："我們的計算表明，海森堡嚴重低估了所需材料的數量。"
作者們還引用了此前研究中關於美德兩國石墨生產關鍵差異的內容。美國使用的是石油焦。雖然部分這類供應曾運抵德國，但1940年1月英國海軍的封鎖切斷了德國獲取這一重要資源的渠道。德國核物理學家不得不改用魯爾區出產的冶金焦炭，其雜質含量是美國焦炭的兩倍（美國科學家最初也遇到過類似問題，直到他們在賓夕法尼亞州找到了一種硼含量異常低的焦炭）。因此，"以當時德國科學家所能獲得的材料，任何天然鈾—石墨慢化堆都不可能達到臨界狀態。"
《美國國家科學院院刊：聯繫》，2026年。DOI: 10.1093/pnasnexus/pgag282（關於DOI）。
