二战期间，曼哈顿计划的物理学家们曾担心，纳粹德国的核计划可能会抢先美国及其盟友研制出第一颗核弹。历史并未如此发展，但历史学家们一直在争论，德国人最后一次尝试建造反应堆——B8反应堆——究竟离实现临界状态有多近。领导该项目的维尔纳·海森堡曾声称他们已经非常接近成功，只需要再多一点铀。但根据发表在《美国国家科学院院刊：联系》（Proceedings of the National Academy of Sciences Nexus）上的一篇论文，事实并非如此：按照他们当时采用的设计，该项目根本没有足够的铀和重水来制造一个可运行的反应堆。
这项研究要追溯到2013年，当时马里兰大学物理学家蒂莫西·科思（该新论文的共同作者之一）收到朋友赠送的一个神秘重金属立方体。他立刻认出这是德国科学家在建造核反应堆的失败尝试中使用的铀立方体之一。如今已知存世的此类立方体仅有14个。
2019年，我们曾报道过科思追查这个立方体来源的故事，以及其他几个不知何故流落到大西洋彼岸的类似立方体。当时，科思和他的研究搭档——时任研究生的米里亚姆·"米米"·希伯特——已经在美国各地追踪到了十个这样的立方体。例如，史密森学会就存有一个德国铀立方体。他们还追踪到第三个立方体，它存放在哈佛大学，经常在物理入门课程中被当作稀奇物件传给学生观看。
美国曼哈顿计划的背后动力，源于人们担心阿道夫·希特勒纳粹政权下的德国科学家会抢先盟军造出核弹。德国人当时领先两年，但据科思介绍，"对有限资源的激烈争夺、尖锐的个人恩怨以及低效的科学管理"导致他们在实现持续核反应方面进展严重滞后。德国的核科学家被分成三个相互隔绝的小组，分别驻扎在柏林（B）、戈托夫（G）和莱比锡（L）。
海森堡领导着柏林小组。1944年冬，随着盟军的推进，海森堡将团队转移到一个名为海格洛赫的小镇城堡下方的一个洞穴里——如今这里是原子地窖博物馆的所在地。该小组就是在那里建造了B8反应堆。据科思描述，它看起来像一个"不祥的吊灯"，因为它由664个铀立方体用飞机缆绳串联而成，然后浸入一个盛有重水的水箱中，外部用石墨屏蔽以防止辐射泄漏。
就在德国科学家与时间赛跑之际，曼哈顿计划负责人莱斯利·格罗夫斯中将启动了一项代号为"阿尔索斯"的秘密行动，明确目标是收集与德国科学研究相关的信息和材料。当盟军逼近时，海森堡拆除了B8实验装置，将铀立方体埋在一片田地里，并把关键文件藏进了一个厕所（可怜的物理学家塞缪尔·古德施密特不得不把这些文件挖出来）。海森堡则骑着自行车逃走，背包里还装着几块立方体。
一次关键的重新评估
正如海森堡所报告的那样，德国科学家的最后一次实验之所以失败，是因为立方体中的铀含量不足以触发持续的核反应。但海森堡当时信心满满，认为"只需稍微增加其规模，就足以启动能量产生的过程"。2009年发表的一篇论文中所描述的一个模型支持了这一说法，该模型显示该团队仅需多出50%的铀立方体即可使该设计奏效。
科思和希伯特在国家档案馆中发现了一箱关于德国铀的解密文件，并由此找到了戈托夫小组在另一项独立反应堆实验中使用的约400个其他铀立方体。他们得出结论认为，两组材料合并起来本应足以让B8反应堆达到临界状态，这表明德国各小组之间保密、孤立的行事方式——即两组人马互不分享信息和资源——阻碍了其核计划的推进。
这篇最新论文是在早期研究的基础上展开的，但得出了不同的结论。科思、希伯特及其合著者分析了两个幸存下来的铀立方体，并梳理了历史记录、技术报告、往来信件等档案资料，以深入了解B8反应堆实验所使用的铀、重水和石墨块的情况。
他们的发现之一是：B8反应堆要达到临界状态，需要1292到1775个铀立方体，并且需要当时唯一的重水来源——挪威维莫克的诺尔斯克水电厂——在整个战争期间产量的两倍。简而言之，论文作者写道："我们的计算表明，海森堡严重低估了所需材料的数量。"
作者们还引用了此前研究中关于美德两国石墨生产关键差异的内容。美国使用的是石油焦。虽然部分这类供应曾运抵德国，但1940年1月英国海军的封锁切断了德国获取这一重要资源的渠道。德国核物理学家不得不改用鲁尔区出产的冶金焦炭，其杂质含量是美国焦炭的两倍（美国科学家最初也遇到过类似问题，直到他们在宾夕法尼亚州找到了一种硼含量异常低的焦炭）。因此，"以当时德国科学家所能获得的材料，任何天然铀—石墨慢化堆都不可能达到临界状态。"
《美国国家科学院院刊：联系》，2026年。DOI: 10.1093/pnasnexus/pgag282（关于DOI）。