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“謎”與“如謎的解謎者”(十七)

2020-06-19 10:28花卷
科學(xué)Fans 2020年5期
關(guān)鍵詞:反射器轉(zhuǎn)輪英國(guó)人

花卷

英國(guó)首相丘吉爾看了圖靈他們的上書(shū),立即下令要求最大限度滿足他們的要求,并任命“有干勁有眼光”的特拉維斯為布菜切利莊園的新領(lǐng)導(dǎo)人。伴隨著體制改革,布萊切利莊園的工作漸入佳境,為英國(guó)和盟軍提供了大量的德軍秘密情報(bào),這些情報(bào)被作為最高機(jī)密管理,代號(hào)“UItra”。為了不讓德軍懷疑Eniqma的保密陸,英國(guó)在如何使用UItra情報(bào)方面采取了一系列障眼法,力求在“有效利用情報(bào)贏得勝利”和“避免德軍懷疑”之間尋求平衡,以維護(hù)這個(gè)來(lái)之不易的重要情報(bào)源。

從三到四

雖然德國(guó)人看起來(lái)對(duì)自己密碼機(jī)的安全性充滿了“蜜汁自信”,但其實(shí)德國(guó)人骨子里那是相當(dāng)?shù)鼐媲缶?,?duì)于Enigma也是不斷地更新升級(jí),除此之外還研究了一種比Enigma更厲害的密碼機(jī),這個(gè)我們先賣(mài)個(gè)關(guān)子,留到后面的章節(jié)中再講吧。

我們之前講過(guò),UItra情報(bào)對(duì)于躲避德軍在大西洋中搞的大規(guī)模潛艇騷擾很有幫助,要不然英國(guó)的海上補(bǔ)給可就真的危險(xiǎn)了。1942年2月1日,布萊切利莊園發(fā)現(xiàn)德軍那些潛艇使用的通信密碼變得跟原來(lái)不一樣了,這意味著他們很可能對(duì)Enigma密碼機(jī)進(jìn)行了修改,英國(guó)人給這個(gè)新的密碼網(wǎng)絡(luò)起了個(gè)名字叫“鯊魚(yú)(Shark)”,一聽(tīng)就特別猛,而德國(guó)那邊的代號(hào)叫“特里頓(Trition)”,就是希臘神話中海神波塞冬的兒子,反正也不是什么善茬兒。

那么德國(guó)人到底對(duì)密碼機(jī)做了什么樣的改造呢?其實(shí),英國(guó)人對(duì)這件事也不是一點(diǎn)兒都不知情,他們?cè)缭诓畈欢嘁荒曛熬鸵呀?jīng)從其他渠道掌握了德國(guó)人要對(duì)Enigma進(jìn)行升級(jí)改造的消息。當(dāng)時(shí)他們聽(tīng)說(shuō)的是,德國(guó)人要把Enigma里面那個(gè)原本是固定的反射器,給改成一個(gè)能轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪式反射器。

事實(shí)上呢?也差不多,但是比這個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)。德國(guó)人把原本的反射器給拆成了兩個(gè)部件——一個(gè)超薄型的轉(zhuǎn)輪,還有一個(gè)超薄型的反射器——換句話說(shuō),就是在原本的反射器和3個(gè)轉(zhuǎn)輪之間,插入了一個(gè)新的轉(zhuǎn)輪——我們就管它叫4號(hào)轉(zhuǎn)輪吧——只不過(guò)呢,這個(gè)轉(zhuǎn)輪和前面3個(gè)轉(zhuǎn)輪不一樣,它沒(méi)有逐次步進(jìn)的功能。大家應(yīng)該還記得,前3個(gè)轉(zhuǎn)輪就像時(shí)鐘上的時(shí)針、分針和秒針,每按一下鍵盤(pán),這些轉(zhuǎn)輪都會(huì)按順序步進(jìn),但是4號(hào)轉(zhuǎn)輪不會(huì),除非你手工轉(zhuǎn)動(dòng)它的位置,否則無(wú)論怎么按鍵盤(pán),它自己都不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

之所以會(huì)采用這樣的設(shè)計(jì),原因也很簡(jiǎn)單,因?yàn)檫@種有4個(gè)轉(zhuǎn)輪的Enigma——即Enigma M4型——是在原有型號(hào)的基礎(chǔ)上改造的。把一個(gè)反射器拆成兩個(gè)部件已經(jīng)相當(dāng)不容易了,再加一個(gè)步進(jìn)機(jī)構(gòu)也太麻煩了,更何況,4號(hào)轉(zhuǎn)輪即便能步進(jìn),也要按下17576次鍵盤(pán)之后才會(huì)步進(jìn)一格,誰(shuí)會(huì)發(fā)那么長(zhǎng)的電文???除了多加一個(gè)轉(zhuǎn)輪之外,德國(guó)人還為這個(gè)4號(hào)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)了兩個(gè)版本,代號(hào)分別叫Beta和Gamma。不僅如此,反射器也有兩個(gè)版本,分別叫Bruno和Caesar,它們都可以換著組合使用。也就是說(shuō),4號(hào)轉(zhuǎn)輪和反射器一共有4種不同的組合,這可比英國(guó)人預(yù)想的要麻煩得多了。

兩個(gè)后門(mén)

雖然英國(guó)人對(duì)M4的出現(xiàn)早就有所準(zhǔn)備,但是1941年布萊切利莊園自己還忙不過(guò)來(lái)呢,別忘了直到1941年年底他們的破譯工作才真正步入正軌,哪有那么多閑工夫管這個(gè)八字還沒(méi)一撇的事兒呢。不過(guò),有時(shí)候,對(duì)方非要往槍口上撞,你也不能眼睜睜地放跑了呀。

德軍是在1942年2月正式啟用M4密碼機(jī)的,但正式啟用之前,肯定要把新機(jī)器先布置到那些潛艇上面。誰(shuí)想到,不知道是哪個(gè)發(fā)報(bào)員手賤,在正式啟用之前,就用M4密碼機(jī)發(fā)出了一條電報(bào)。當(dāng)然,發(fā)完之后他就后悔了,新機(jī)器加密的電文,友軍也不能解密啊,畢竟還沒(méi)正式啟用呢,于是他又換回原來(lái)的密碼機(jī),把那條電報(bào)重新加密又發(fā)送了一次。

這個(gè)操作看起來(lái)也沒(méi)啥問(wèn)題,但可憐的發(fā)報(bào)員不知道,他觸犯了密碼通信的大忌,那就是絕對(duì)不能把同一條明文用不同的加密方式發(fā)送兩次。我們知道,原來(lái)的密碼機(jī),英國(guó)人已經(jīng)能夠用炸彈機(jī)實(shí)現(xiàn)有效破譯了,那么那位手賤的發(fā)報(bào)員第二次發(fā)的電報(bào)內(nèi)容,自然也沒(méi)能逃過(guò)被英國(guó)人看光的命運(yùn)。用M4發(fā)的那條,英國(guó)人雖然沒(méi)法破譯,但憑感覺(jué)猜出內(nèi)容和這條已經(jīng)破譯的一模一樣。由于M4和原來(lái)的密碼機(jī)的區(qū)別只在于新加的那個(gè)4號(hào)轉(zhuǎn)輪,因此通過(guò)這條線索,英國(guó)人就可以推算出4號(hào)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的連線方式了。

有了這條線索,英國(guó)人就可以采用同樣的猜詞方法,利用炸彈機(jī)來(lái)破譯M4。不過(guò),炸彈機(jī)是針對(duì)3個(gè)轉(zhuǎn)輪的Enigma設(shè)計(jì)的,如果要破譯有4個(gè)轉(zhuǎn)輪的M4,那必然需要花費(fèi)更多的時(shí)間。這要是多一點(diǎn)還不要緊,布萊切利莊園的專家們估算,利用現(xiàn)有的炸彈機(jī),破譯M4的密鑰所需的時(shí)間是破譯普通空軍密碼的50-100倍——這完全沒(méi)法忍??!

既然如此,那么當(dāng)務(wù)之急就是要設(shè)計(jì)出能針對(duì)4轉(zhuǎn)輪Enigma的,運(yùn)算速度更快的炸彈機(jī)——雖然條件非常艱苦,沒(méi)錢(qián),沒(méi)人,時(shí)間緊,但英國(guó)人還是設(shè)定了兩條技術(shù)路線,同時(shí)展開(kāi)對(duì)新型炸彈機(jī)的研發(fā)。這兩條技術(shù)路線分別是怎么回事,我們放在后面再說(shuō),但現(xiàn)在的情況是,到1942年2月德軍啟用M4的時(shí)候,新炸彈機(jī)還連個(gè)影子都看不見(jiàn),這意味著布萊切利莊園必須得用現(xiàn)有的炸彈機(jī)硬著頭皮解決這個(gè)問(wèn)題。

在炸彈機(jī)的效率沒(méi)辦法提高的情況下,要想破譯M4的密鑰,就需要更精確的猜詞來(lái)彌補(bǔ)了。1941-1942年間,英國(guó)人從擊沉的德國(guó)潛艇上找到了一些編碼手冊(cè),這些手冊(cè)上面都是一些代表天氣或者作戰(zhàn)指令的短編碼,就拿天氣編碼來(lái)說(shuō),使用這套編碼就可以用7個(gè)字母來(lái)編碼一整套天氣狀況報(bào)告。例如:“北緯68度西經(jīng)20度地區(qū),大氣壓強(qiáng)972亳巴,溫度-5℃,西北風(fēng)6級(jí),云量3成,能見(jiàn)度5海里”,這些信息就可以縮寫(xiě)成:MZNFPED。

之所以要搞短編碼,就是為了縮短通信發(fā)報(bào)的時(shí)間。我們?cè)谡檻?zhàn)片里面都看過(guò),特務(wù)用電臺(tái)發(fā)報(bào)的時(shí)候,我們可以對(duì)發(fā)報(bào)位置進(jìn)行定位,但是需要花一定的時(shí)間,如果發(fā)報(bào)時(shí)間太短,就定位不到了。這個(gè)電視劇的橋段倒是還比較科學(xué),所以縮短發(fā)報(bào)時(shí)間,就不容易被敵人定位,這對(duì)于需要隱藏位置的潛艇來(lái)說(shuō)太重要了。但是,有了這些編碼,英國(guó)人也更容易猜詞了,因?yàn)樘鞖鈭?bào)告一般都是固定時(shí)間發(fā),現(xiàn)在又知道了固定的編碼規(guī)則,那猜出某一天發(fā)報(bào)的內(nèi)容就不難了。

當(dāng)然,光能猜詞,還是不能解決炸彈機(jī)只能處理3個(gè)轉(zhuǎn)輪的問(wèn)題,幸好,英國(guó)人又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)后門(mén)。我們知道,M4密碼機(jī)加密的消息只能用M4密碼機(jī)才能解密,而潛艇有時(shí)候也需要和其他部隊(duì)聯(lián)絡(luò),比如說(shuō)海面戰(zhàn)艦之類的,于是M4在設(shè)計(jì)的時(shí)候就做了一個(gè)“兼容模式”,也就是說(shuō),4號(hào)轉(zhuǎn)輪有一個(gè)“旁路”位置,撥到這個(gè)位置的時(shí)候,M4就相當(dāng)于變成了原來(lái)型號(hào)的密碼機(jī),這時(shí)就可以和其他沒(méi)有M4的部隊(duì)通信了——當(dāng)然,這些通信也可以被英國(guó)人輕松破譯了。

兩個(gè)藍(lán)圖

然而說(shuō)到底,炸彈機(jī)本身的問(wèn)題必須得解決啊,不然大家再怎么努力,還是很難改變大局。事實(shí)上,1942年這一年,英國(guó)人都沒(méi)能大規(guī)模破譯“鯊魚(yú)”網(wǎng)絡(luò)中的電文,只能在運(yùn)氣好的時(shí)候破譯其中的一部分,聊勝于無(wú)吧。于是,英國(guó)人開(kāi)始張羅著研發(fā)一種新型的炸彈機(jī),這種新型機(jī)器需要速度快,而且能應(yīng)對(duì)新的德國(guó)M4密碼機(jī)。

在這個(gè)計(jì)劃中,有兩個(gè)人分別提出了自己的技術(shù)路線。其中一個(gè)我們很熟悉了,就是一直負(fù)責(zé)生產(chǎn)炸彈機(jī)的BTM公司的首席工程師哈羅德

基恩?;鲗?duì)炸彈機(jī)太熟悉了,他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型炸彈機(jī),代號(hào)叫“猛犸(Mammoth)”,基本上還是在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造。而另一路人馬則是由電信研究所(TRE)的物理學(xué)家查爾斯·韋恩-威廉姆斯(Charles Wynn-Williams)和英國(guó)郵政總局的工程師托馬斯

弗拉瓦茲(Thomas Flowers)領(lǐng)銜,他們比較前衛(wèi),打算玩點(diǎn)黑科技,他們的方案代號(hào)叫“眼鏡蛇(Cobra)”。

韋恩·威廉姆斯也是劍橋出來(lái)的大牛,他一開(kāi)始是研究雷達(dá)的,還搞過(guò)蓋革計(jì)數(shù)器。蓋革計(jì)數(shù)器是用來(lái)測(cè)量α射線之類的電離輻射量的,核心部件就是一個(gè)真空管,而真空管——我們一般也叫電子管——可以作為一種電子開(kāi)關(guān)來(lái)使用——如果劇透一下的話,公認(rèn)的世界第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC,其實(shí)就是用幾萬(wàn)個(gè)電子管組裝起來(lái)的。

相比之下,圖靈、基恩他們?cè)O(shè)計(jì)的炸彈機(jī),則是依靠電磁繼電器來(lái)工作的。電磁繼電器其實(shí)就是一塊電磁鐵,通過(guò)控制電流使得電磁鐵釋放和吸合,就可以控制一條電路的開(kāi)關(guān),所以工作時(shí)會(huì)發(fā)出“咔嗒咔嗒”的響聲。我們現(xiàn)在有很多電子設(shè)備中依然會(huì)使用繼電器,但繼電器有一個(gè)很大的問(wèn)題,就是速度慢,畢竟它需要操控電磁鐵這種物理部件。而電子管的反應(yīng)速度則要快多了,開(kāi)關(guān)的切換幾乎是瞬間的事情——看起來(lái),用電子管的確可以讓炸彈機(jī)變得更快。

但是,技術(shù)這個(gè)東西,永遠(yuǎn)不能只看一個(gè)方面。以韋恩一威廉姆斯為首的黑科技派雄心勃勃,但是畢竟這玩意兒之前沒(méi)人做出來(lái)過(guò),他們必須從零開(kāi)始;而相對(duì)地,以基恩為首的穩(wěn)健派雖然沒(méi)有什么突破性的技術(shù),只是采用了更高速的繼電器,但畢竟是基于成熟的設(shè)計(jì)進(jìn)行改造,總歸看起來(lái)穩(wěn)妥一些。這兩撥人熱火朝天地搞了好幾個(gè)月,不光干活干得熱火朝天,吵架也是吵得熱火朝天,兩撥人都在噴對(duì)方的方案不靠譜。

眼看兩撥人都快打起來(lái)了,也沒(méi)分出個(gè)勝負(fù),但是政府不可能同時(shí)把兩個(gè)方案的機(jī)器都量產(chǎn)出來(lái),畢竟沒(méi)那么多錢(qián)啊。沒(méi)辦法,只能請(qǐng)之前發(fā)明對(duì)角線板的戈登維爾赫曼出來(lái)做個(gè)決定了。維爾赫曼現(xiàn)在負(fù)責(zé)總管布萊切利莊園在機(jī)械方面的工作,他搞了個(gè)小組研究了一通之后,認(rèn)為黑科技派的方案雖然很有突破,但是到現(xiàn)在依然無(wú)法穩(wěn)定工作,這個(gè)問(wèn)題解決不了的話很難投入實(shí)用,就目前來(lái)看,還是穩(wěn)健派的方案更靠譜一些。

美國(guó)入局

既然決定了用穩(wěn)健派的方案,那就麻溜地量產(chǎn)吧。說(shuō)到這兒,英國(guó)這個(gè)時(shí)候在財(cái)力上真的是捉襟見(jiàn)肘了,據(jù)資料顯示,即便到了1943年6月,這種新型炸彈機(jī)也只生產(chǎn)了4臺(tái),跟幾十上百臺(tái)的舊型炸彈機(jī)相比簡(jiǎn)直是少得可憐。

不過(guò),1941年年底的一件事,給英國(guó)人帶來(lái)了一個(gè)機(jī)會(huì)。

1941年12月7日,日本發(fā)動(dòng)了一系列作戰(zhàn)行動(dòng),其中就包括大名鼎鼎的“偷襲珍珠港”。珍珠港是美國(guó)在夏威夷的一座重要軍事基地,是美國(guó)太平洋艦隊(duì)的老窩。和“一戰(zhàn)”一樣,“二戰(zhàn)”一開(kāi)始也跟美國(guó)沒(méi)什么關(guān)系,美國(guó)并沒(méi)有參戰(zhàn)。但是“二戰(zhàn)”時(shí)的美國(guó)實(shí)力已經(jīng)比“一戰(zhàn)”時(shí)強(qiáng)大多了,美國(guó)把臉一板,其他國(guó)家也要抖一抖的。日本覺(jué)得美國(guó)的太平洋艦隊(duì)是一個(gè)心腹大患,總想著給端了,于是就搞了個(gè)“夏威夷作戰(zhàn)”,出其不意,擊沉了美軍7艘戰(zhàn)艦,擊毀100多架飛機(jī),太平洋艦隊(duì)這回真的是傷了不少血。

日本這一搞,美國(guó)再也坐不住了,立即宣布加入同盟國(guó)陣營(yíng),對(duì)德國(guó)、日本等軸心國(guó)勢(shì)力宣戰(zhàn)——也就是說(shuō),現(xiàn)在美國(guó)和英國(guó)是一伙的了。既然如此,英國(guó)人在破譯Enigma方面的成果,特別是關(guān)于炸彈機(jī)的資料,美國(guó)人一定是非常感興趣的。而反過(guò)來(lái)說(shuō),英國(guó)人也有自己的考慮,美國(guó)畢竟有錢(qián)有資源,有本事的科學(xué)家也不少,如果他們能造出更多更先進(jìn)的炸彈機(jī),雙方在情報(bào)工作上建立合作,那么對(duì)英國(guó)來(lái)說(shuō)也是很有好處的。

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