临界质量

临界质量是引发并维持链式反应所需的可裂变材料数量；对它的不确定计算影响了原子弹的工程设计与政治决策。在J.罗伯特·奥本海默的工作中，临界质量从来不只是一个数字——随着证据逐渐充分，估算值不断上升，这要求以庞大规模进行工业生产；而用这些材料制造的武器又引发了仅凭计算无法回答的使用与责任问题。

定义与早期的不确定性

1942年伯克利夏季课程期间，奥本海默的团队得出结论——很可能可以在直径仅八英寸的金属球内放置铀芯，以实现快中子链式反应。但由于科学家缺乏可靠的实验数据，所需可裂变材料的数量仍不确定。他们掌握的初步知识表明，所需数量可能是仅仅四个月前向总统估算数量的两倍。这种不确定性有着实际影响——小规模实验室提炼远远不够，项目需要一座大型工业厂房。科学家们认识到，原子弹造价高昂。

这些计算还必须在压力下完成。由于担心美国正在输给德国，奥本海默反对他认为进展过慢的研究。一位科学家提出一种耗时的方法来测量快中子散射，奥本海默却主张迅速进行定性调查，并警告说，若采用较慢的方法，等到得出答案时战争可能已经输了。他的不耐烦体现了早期工作的一个核心特点——在估算变得精确之前，团队就必须对设计和资源作出决定。

从计算到工业工程

到1942年夏末，团队得出结论，设计快中子反应装置不存在重大的理论缺口，但对临界质量的估算已大幅上升。奥本海默的总结报告描述了一种原子装置，其爆炸能量是此前一次计算结果的150倍，而所需临界质量则是此前估算值的六倍。原子弹仍然可行，但修订后的数字清楚表明，实现可行性有赖于调集庞大的科学、技术和工业资源。

1943年4月在洛斯阿拉莫斯举行的讲座，让那些因知识分隔而彼此隔绝的科学家切实理解了这个问题。罗伯特·瑟伯解释说，一个约有哈密瓜大小的铀芯重约三十三磅；所需临界质量较小的钚芯可能只有十一磅重，大小不超过一个橙子。任一种芯体都将被厚厚的普通铀外壳包裹，外壳约有篮球大小，使成品装置重约一吨——虽然沉重，但可以由飞机运送。这些数字将核反应的门槛与材料生产、武器组装和运送等实际问题联系起来。

剩下的障碍并不只是理论问题。科学家仍须生产足量的铀-235或钚，并确定如何组装材料，才能使武器有效起爆。瑟伯介绍了炮筒式组装方案，也勾勒出另一种可能——将若干部件围绕环形排列，再由炸药将它们向内驱动，汇聚成球体。因此，临界质量标示的是一道门槛，而不是完整的设计——达到这道门槛，既有赖于解决棘手的工程和军械问题，也有赖于生产所需材料。

规模、用途与道德责任

随着战争接近尾声，所需可裂变材料数量这一技术问题有了新的分量。1944年末，罗伯特·威尔逊敦促奥本海默就原子弹的后果举行正式讨论。奥本海默起初警告说，这样的会议可能会引起军方安全官员的注意，但在威尔逊组织了题为《原子装置对文明的影响》的讨论会后，他还是参加了。在后来的一次会议上，奥本海默主张应在战争结束前试验这种武器，并让世界了解它；否则，他担心它可能会继续被保密，并通过其隐秘存在影响下一场战争。对他而言，了解这种武器的威力具有超越其弹芯材料数量的政治意义。

这种威力的规模也成为1945年临时委员会讨论对日使用原子弹时的议题。奥本海默描述了升至一万至两万英尺高空的耀眼闪光，以及至少延伸到三分之二英里外的危险中子效应。他没有反对拟议的目标原则，并提出同时实施数次打击的可能性；莱斯利·格罗夫斯将军否决了这一设想。这一事件揭示了计算武器能造成何种破坏与决定应如何使用武器之间的距离；掌握材料门槛并不能决定打击目标，也无法解决随之而来的伦理后果。

战后，奥本海默对进一步发展武器的态度变得更加鲜明。1945年9月，他告诉迪安·艾奇逊，许多科学家不愿继续研制武器——不仅不愿研制超级炸弹，也不愿研制任何炸弹；他还拒绝了爱德华·泰勒提出的、请他支持继续研制超级炸弹的请求。这场争论表明，具备制造裂变材料和武器的科学能力，本身并不能构成继续扩大这种能力的理由。

临界质量与核战略

1949年，围绕热核超级炸弹的争论使武器规模成为总顾问委员会评估的核心。奥本海默与多数委员担心，一种当量可能达到一亿吨梯恩梯的武器威力过大，任何正当军事目标相较之下都显得太小。与当量为一万五千吨的广岛原子弹相比，这种装置可能摧毁一百五十至一千平方英里或更大的区域。委员会警告说，它可能成为一件种族灭绝武器；拥有这种武器还可能损害美国的安全，因为这会使其他国家相信美国有意实施毁灭。问题已不再仅仅是能否实现链式反应，而是一个国家应该选择制造什么样的武器。

委员会提出了一种替代不断扩大武器规模的竞争方案——增加可裂变材料的生产，用于制造较小型的战术原子武器，并配合西欧的常规军力。这是早期提出核充分性的论点之一——按具体军事任务确定核武库规模，而不是无限扩充。该提议将裂变材料的生产与战略选择联系起来——资源可以用于支持承担特定任务的小型武器，也可以集中用于热核武器，而后者的规模会威胁平民人口和国际安全。

奥本海默后来通过维斯塔计划帮助发展战术替代方案，主张这类武器可以在军事行动中协助作战部队，而不应主要充当恐怖武器。然而，这一立场本身也有危险。将核武器投入战场，可能使实际使用更有可能发生，并可能引发威力不断升级的武器交锋。他早先关于原子武器体现总体战的警告，与他后来为战术用途提出的论据并不协调。这一立场的转变凸显了临界质量这一概念的局限——它描述的是发生链式反应的一种物理条件，却无法界定随后制造出的武器所承载的军事目的、政治风险或道德责任。