本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
在這一週的《曼哈頓》（“新世界”）劇集中，各處都變得白熱化。不僅田納西州的X10核反應堆正在啟動，浪漫的火花也在多條戰線上飛舞，在所有錯綜複雜的人際關係中引發了一場隱喻的連鎖反應，人們懷疑最終將達到臨界點。
讓我們直接進入未來橡樹嶺國家實驗室的進展，上週，競爭對手物理學家海倫·普林斯和查理·艾薩克斯——以夫妻身份臥底——在反對該設施安全協議不足的問題上達成了共識。他們被軍事承包商負責人丹尼爾·埃利斯否決了，後者按計劃推進了啟動臨界狀態的計劃。現在重要的日子到了，儘管查理獲得了插入最後一根鈾燃料棒以引發自持鏈式反應的特權，但他放棄了，擔心要承擔可能發生的潛在災難的任何責任。
海倫沒有這樣的顧慮，她很快自願代替他去做，她認為，“總得有人為此載入史冊，為什麼不能是個女人呢？”每個人都歡呼起來，而且沒有發生災難性的事件。海倫告訴一絲不苟的查理，他沒有幽默感，真的需要擁抱生活的不確定性。“我寧願選擇可預測的，也不要魯莽，”他反駁道。她提醒他，第一個核反應堆堆——著名的“芝加哥1號堆”，於1942年12月2日啟動——恩里科·費米將其放置在足球場看臺下，以免隨後的反應失控並帶走伊利諾伊州的一半。當時沒有任何安全規定；傳說費米的後備計劃是讓幾個研究生準備好將一桶氯化鎘鹽溶液倒在堆上，以防發生失控的鏈式反應，因為這會吸收足夠的粒子來抑制它。然而，實驗順利進行。結果不是災難，“他們改變了世界，並用馬提尼酒慶祝。”
關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
海倫希望這次也能有類似的結果。當埃利斯宣佈已達到臨界狀態時，她建議查理他們回到她的房間喝一杯慶祝。是的，現在是早上9點，而且從技術上講這是一個禁酒城鎮，但這位足智多謀的物理學家為了這個場合，在她的行李中偷偷帶了幾瓶威士忌。為什麼不為新世界的黎明乾杯呢？
哦，海倫。你應該知道不要去考驗命運。在宣佈達到臨界狀態後，幾乎立即響起不祥的嗡嗡警報聲。由於某些神秘的原因，反應堆已經關閉。埃利斯讓他的手下取出控制棒，並向查理保證，他們一旦整理完所有資料，就會弄清楚是什麼觸發了關閉。他堅稱這只是一個小小的技術故障，沒有必要過度反應並引起恐慌而進行疏散。然而，又一個警報響起，表明核心溫度以每秒5度的速度急劇上升。埃利斯制定了冷卻程式，但查理指出這實際上可能會熔化核心。埃利斯回應說——我釋義一下——是啊，是啊，你是個了不起的聰明人，但這是一個工廠，而不是大學講堂，到目前為止，我們管理反應堆做得很好，不需要你，所以閉嘴，讓我們來處理這件事。
幸運的是，海倫發現反應堆內部正在積累一些東西，可能與裂變反應的化學副產物有關。關於這些副產品的現場專家是誰？埃利斯的助手西奧多·辛克萊，他是一位核物理學家，因為種族主義而被降職為端咖啡的。查理和海倫發現苦澀的西奧多正在收拾東西，此前他試圖幫助查理和海倫後，甚至被禁止進入反應堆室。“你不能離開，核心溫度是1000度！”查理驚呼道，對此，西奧多回應說：“你以為我為什麼要離開？”但最終，那個反應堆是他的寶貝，他們說服他提供幫助。
一切都歸結於核鏈式反應的工作原理。平均而言，你希望輸出的粒子多於輸入的，使反應堆執行在臨界點附近。然而，你不希望粒子的捕獲率過高。海倫是對的：一切都與副產物有關，例如放射性碘，它會在六小時內衰變成放射性氙（氙-135）。氙-135具有非常高的粒子捕獲率，一個用靶恩測量的面積單位，“就像穀倉的側面一樣，”加州大學洛杉磯分校的物理學家大衛·薩爾茨伯格說，他為這一集提供了一些技術諮詢。因此，反應堆停滯了；沒有足夠的粒子被泵出來維持鏈式反應，即使在前六個小時內，它執行良好。好訊息是氙-135最終會衰變——但這需要九個小時。“想象一下你開著汽車，但是當你踩下油門時，需要六個小時汽車才會開始加速，”薩爾茨伯格說。“然後你踩下剎車，需要九個小時才能開始減速。這就是你如何駕駛核反應堆。”
這就是西奧多弄清楚氙-135很可能是罪魁禍首的原因：他知道必須有一種化學副產物具有2.2到10<6>靶恩（大約200萬靶恩，相比之下鈾大約為500靶恩）的粒子捕獲率，而氙-135符合要求。這種罕見的同位素正在毒害反應，捕獲粒子的速度“比我們能供應的速度還快”。正如西奧多告訴查理和海倫的那樣，“有時反應中最關鍵的元素幾乎是看不見的。有時它們甚至不允許進入建築物。”在20世紀40年代，華盛頓州的漢福特核設施發生了非常類似的事件。反應堆停止了，
尤金·維格納 約翰·惠勒 [更正] 最終弄清楚了問題——部分原因是費米在不同的時區，當時正在睡覺。
解決方案是違反直覺的：採納西奧多的建議，查理告訴埃利斯向反應堆新增更多燃料，因為最初導致溫度升高的正是取出燃料棒。根據薩爾茨伯格的說法，這是1986年切爾諾貝利設施發生的事情：操作員沒有意識到氙中毒是他們失去電力的原因，因此他們拔出了控制棒。這實際上增加了粒子通量，使核心過熱，並最終導致了歷史上最嚴重的核事故之一。（坦率地說，到1986年，任何合格的核操作員都應該知道氙中毒。）這裡沒有發生這種情況，因為西奧多的解決方案拯救了局面。
當所有這些戲劇在田納西州上演時，查理的妻子艾比驚訝地得知和她丈夫一起旅行的女人不僅單身，而且很漂亮，還是博士。她向隔壁鄰居兼新閨蜜埃洛迪傾訴，埃洛迪向她保證她沒什麼好擔心的：“如果你的丈夫喜歡漢堡勝過菲力牛排，他活該餓肚子。”艾比無意中說出了她聽到了埃洛迪和她丈夫的做愛聲，當埃洛迪高興地承認她假裝高潮時，她感到震驚：“我只能獨自登上那座山頂。”她建議女孩們出去玩一晚，並借給艾比一套衣服，因為她自己的衣服過於老套和保守。
她們最終來到一家破舊的當地酒吧，偽裝成基地的一對WAC（美國陸軍婦女隊）“安妮和黛安”。艾比的一位舞伴給了她一杯90度的烈酒，結果可想而知。他引誘醉醺醺的艾比進入一條後巷，但警惕的埃洛迪介入並將她帶回家。她正把艾比哄入睡，艾比仍然抗議說她玩得很開心，一點也不困，並挑逗地要求埃洛迪和她跳舞。埃洛迪俯身吻了她——我們只能說艾比對這種女同性戀藝術的介紹做出了熱情的反應。
她的丈夫查理一直在橡樹嶺的一家咖啡店與海倫交好，海倫偷偷往杯子裡摻入威士忌，以幫助他在一天的事件後放松身心。他仍然不確定他們是否會在這一切結束之前把田納西州烤焦。海倫透露，她實際上是荷蘭人：她的母親被埋葬在荷蘭，她的父親在戰爭爆發時逃到了倫敦。查理坦白說，他的母親住在聖路易斯，他的父親是州監獄的囚犯——這是他甚至從未告訴過他妻子的事情。
一旦開始坦白，坦白就接連不斷。我們瞭解到，海倫在一年前懷上了普林斯頓的一位古典文學教授的孩子，他英勇地向她求婚。如果不是弗蘭克·溫特為她提供了成為洛斯阿拉莫斯唯一女物理學家的機會，她可能會接受求婚。她的男友拒絕陪她去，“所以我躺在蒂內克的一套複式公寓裡的金屬片上”，結束了她的妊娠。查理說這一定是一個複雜的選擇。她的回應揭示了那個時代任何女物理學家面臨的困境：“當戰爭結束後，你可以在任何你想去的地方獲得終身教職。甚至是西奧多。他會沒事的。學術界每次都會選擇黑人而不是女人。我將為了在波頓克專科學校獲得兼職工作而奮鬥。但我他媽的不在乎。因為無論世界持續多久，我都可以做我喜歡的事情。”她的夢想只是付出了非常高昂的代價。
他們在她的酒店房間裡繼續喝酒，關係更加親密，帶著調情的意味——但他們的狂歡被一名士兵打斷了，士兵叫他們回到基地。現在反應堆已經穩定下來，他們正準備讓它再次達到臨界狀態。第二天，海倫向西奧多告別，西奧多被允許回到反應堆室，前提是“記住自己的位置”。他為什麼要留下來？他承認說：“這是我能最接近你們正在建造的東西的地方，我們都知道你們在建造什麼。”他請求她把他的中子反應研究轉交給弗蘭克·溫特。“如果他能找到辦法把一個女人帶到那裡，他就能找到辦法把我帶到那裡——沒別的意思。”海倫決定冷靜對待，認為“水漲船高”。
溫特夫婦叛逆的十幾歲女兒卡莉的戀情正在萌芽，莉莎堅持讓她參加基地裡的某種女童子軍組織，還要求她穿上不太好看的制服，這讓她感到很害怕。“你看起來像個小妖精，”莉莎開玩笑地說，“但你是我們的小妖精。”當她向弗蘭克求助時，弗蘭克承認這很糟糕，但向她保證，一旦戰爭結束，他們就會像什麼都沒發生過一樣回到普林斯頓。他們都需要盡力度過這個階段。卡莉目前的應對機制是：科爾·鄧拉維，他在前幾集中就對她著迷了。他們偷偷溜出去，親吻了一兩次，然後躺下凝視星空，她向他講述了金牛座背後的希臘神話。
與此同時，莉莎很擔心，因為女傭帕洛瑪——也就是弗蘭克的秘密情人——已經兩天沒來上班了，儘管她一直都很準時。她和弗蘭克開車去那個女人的家檢視情況。他們得知帕洛瑪的兄弟是一名士兵，剛在太平洋戰場陣亡。
更糟糕的是，軍方不會歸還他的遺體——這是戰爭中的標準程式——因此部落無法按照他們的美洲原住民傳統給他舉行適當的葬禮。帕洛瑪（透過懂一點西班牙語的莉莎）請求弗蘭克護送他們進入基地。基地裡有一座聖地，部落可以在那裡舉行“釋放儀式”，前提是他們能進入。當然，軍方為了曼哈頓計劃佔領了這片土地，根本不顧部落的宗教傳統——部落成員阿尼塞託（大衛·米斯桑德飾）強調了這一點，他引用了羅伯特·弗羅斯特的名言。
在我築牆之前，我會先問清我到底要圈住或排除什麼，
以及我會冒犯到誰。
儀式結束後，出現了尷尬的一幕，悲痛欲絕的帕洛瑪擁抱了弗蘭克，弗蘭克安慰她，莉莎在一旁震驚地看著。帕洛瑪也擁抱了她，但莉莎開始懷疑弗蘭克和他們女傭的關係不僅僅是他所表現的那樣。但沒過多久——帕洛瑪第二天就辭職了，告訴莉莎她不再喜歡為溫特一家工作了。目前還不清楚莉莎到底知道多少，還是僅僅是懷疑；她顯然不太想找替代者。
對於艾比來說，這天早上也很尷尬，她一直睡到中午才醒來——孤身一人，除了凌亂的床單，沒有埃洛蒂的蹤影——而且還宿醉難當。是我感覺錯了嗎？當保姆發現女主人在中午時分還赤身裸體地躺在床上時，她是不是有點評頭論足呢？
查理和海倫當晚回到基地營地，當海倫問他們是否應該回到曾經的敵對狀態時，他迴避了這個問題。他也拒絕了她稍後一起喝酒的提議。海倫欣然接受了查理的拒絕，她扛起行李箱，昂首挺胸地走進溫特的實驗室。她拿出西奧多給她的信封，考慮了一下，然後把它扔進了垃圾桶。不！“水漲船高”去哪兒了？我猜海倫已經決定為自己考慮了。
巧合的是，保羅·克羅斯利也在那裡，為了給溫特留下深刻印象而加班。注意到她從箱子裡拿出威士忌，他承認他想喝一杯。她建議他們可以直接跳過喝酒。她想要查理，但如果她不能擁有他——那麼，克羅斯利也是個不錯的安慰獎。這個女孩有需求。
查理髮現艾比在床上，並向她表白了熱烈的愛意，但他並不知道她和埃洛蒂的私情。但他需要回到實驗室，思考氙-135中毒對阿克利實驗室的影響。在回家的路上，他和海倫的車出了故障，因為加油站的服務員在汽油裡摻了水。“即使是凱迪拉克，如果燃料不好也跑不動，”海倫觀察到——查理意識到阿克利為炸彈設計的瘦子模型是基於費米在芝加哥實驗室用迴旋加速器生產的鈽。反應堆中生產的鈽會產生大量的副產品，如碘和氙——相當於汽油裡的水。“如果反應堆生產的鈽不純呢？”他想知道。海倫聳聳肩，承認弗蘭克·溫特已經考慮到了這一點，因為他總是做最壞的打算：“內爆模型可以用原油執行。”
這就是B計劃如何成為曼哈頓計劃的A計劃的關鍵。瘦子最終沒有成功的原因在於，很難將回旋加速器生產少量（微克）鈽的方式擴大到核反應堆生產大量（千克）鈽的方式。記住，最常見的鈾形式是U-238。如果你注入一個額外的中子，它就會變成U-239，這是一個高度不穩定的同位素，它會迅速衰變成錼，然後再次衰變成Pu-239，這是一種極好的用於製造炸彈的易裂變材料。
一旦你獲得Pu-239，理想情況下你應該立即將其移除，但這需要幾個月的時間才能獲得足夠製造炸彈的材料。在等待的過程中，大量的額外中子繼續在反應堆中飛舞，其中一些被鈽吸收。它會變成Pu-240。Pu-240是可裂變的，這對製造炸彈有利，但它會發生自發裂變，這很糟糕。它發生得太快，沒有足夠的時間來組裝瘦子設計中使用的槍式模型的部件。鏈式反應過早開始。
“這是一個線性和平方的問題，”薩爾茨伯格解釋道。Pu-239的中子俘獲率與時間呈線性關係；Pu-240的中子俘獲率與時間呈指數關係。Pu-239在反應堆中停留的時間越長，就越有可能吸收額外的中子並變成Pu-240，而Pu-240吸收中子的速度呈指數增長。“這就是為什麼迴旋加速器中製造的少量鈽沒問題的原因，因為那裡根本沒有這些二次效應，即兩倍的暴露會產生四倍的Pu-240，”薩爾茨伯格解釋道。核反應堆中製造的較大量鈽必然需要更長時間地暴露在熱中子流中，因此會有更多的汙染。而且，試圖分離Pu-239和Pu-240的成本太高，因為它們在化學性質上非常相似。
物理學家埃米利奧·塞格雷在測量Pu-239和Pu-240的中子俘獲率時發現了這一點；他立刻意識到瘦子行不通，因為汙染會太高，而且該設計需要純Pu-239。這樣說並不是劇透：儘管該劇的編劇可能會為了他們的敘事目的而調整歷史和科學——《曼哈頓計劃》不是，也從未打算成為一部紀錄片——但他們可能不會完全改寫歷史。正如薩爾茨伯格所說，這是一個“物理定律仍然適用的世界。而且他們[編劇]使用真實的故事作為靈感。”
對於那些對曼哈頓計劃的實際歷史感興趣的人來說，有大量的檔案資訊可以公開獲取，還有無數的書籍，從通俗到技術層面都有。薩爾茨伯格特別推薦三本書：理查德·羅茲的《原子彈的誕生》（該書當之無愧地獲得了普利策獎）；莉蓮·霍德森的《臨界裝配》（比羅茲的書更技術化）；以及萊斯利·格羅夫斯將軍的回憶錄《現在可以說了》，他是整個曼哈頓計劃的“大人物”。