二战中使用的恩尼格码密码机
1943年使用中的恩尼格码机
但是如果连续键入26个字母，转子就会整整转一圈，回到原始的方向上，这时编码就和最初重复了。而在加密过程中，重复是最大的破绽，因为这可以使破译密码的人从中发现规律。于是谢尔比乌斯又增加了一个转子，当第一个转子转动整整一圈以后，它上面有一个齿轮拨动第二个转子，使得它的方向转动一个字母的位置。假设第一个转子已经整整转了一圈，按A键时显示器上D灯泡亮；当放开A键时第一个转子上的齿轮也带动第二个转子同时转动一格，于是第二次键入A时，加密的字母可能为E；再次放开键A时，就只有第一个转子转动了，于是第三次键入A时，与之相对应的就是字母就可能是F了。因此只有在26×26＝676个字母后才会重复原来的编码。
恩尼格玛密码机的转子及其分解结构
两个相对的恩尼格玛密码机转子
而事实上“恩尼格玛”有三个转子（二战后期德国海军使用的“恩尼格玛”有四个转子），那么重复的概率就达到26×26×26＝17576个字母之后。转子的初始方向决定了整个密文的加密方式。如果通讯当中有敌人监听，他会收到完整的密文，但是由于不知道三个转子的初始方向，他就不得不一个个方向地试验来找到这个密匙。问题在于17576这个数目并不是太大。如果试图破译密文的人把转子调整到某一方向，然后键入密文开始的一段，看看输出是否像是有意义的信息。如果不像，那就再试转子的下一个初始方向……假设试一个方向大约要一分钟，而他二十四小时日夜工作，那么在大约两星期里就可以找遍转子所有可能的初始方向。如果对手用许多台机器同时破译，那么所需要的时间就会大大缩短。这种保密程度显然是不太足够的。
恩尼格玛密码机的三个转子和一个轴
为此，谢尔比乌斯给密码机增加了一道保障安全的关卡，在键盘和第一个转子之间设置了一块连接板。通过这块连接板，可以用一根连线把某个字母和另一个字母连接起来，这样这个字母的信号在进入转子之前就会转变为另一个字母的信号。这种连线最多可以有六根（后期的“恩尼格玛”甚至达到十根连线），这样就可以使6对字母的信号两两互换，其他没有插上连线的字母则保持不变。当然连接板上的连线状况也是收发双方预先约定好的。除此之外，“恩尼格玛”密码机的三个转子也可以拆卸下来并互相交换位置，这样一来初始方向的可能性一下就增加了六倍。假设三个转子的编号为1、2、3，那么它们可以被放成123-132-213-231-312-321这六种不同位置，收发密文的双方除了要约定转子自身的初始方向，还要约定这六种排列中的一种。转子的初始方向、转子之间的相互位置以及连接板的连线状况就组成了“恩尼格玛”密码机的三种自动加密方式，经过这样处理，要想通过“暴力破译法”还原明文，需要试验的数量高达一亿亿次，即便能动员大量的人力物力，要想靠“暴力破译法”来逐一试验可能性，也几乎是不可能的。而收发双方，则只要按照约定的转子方向、位置和连接板连线状况，就可以非常轻松简单地进行通讯了。这就是“恩尼格玛”密码机的保密原理。
1918年谢尔比乌斯申请了“恩尼格玛”密码机的专利。在他看来，既然自己的发明能够提供优秀的加密手段，又能拥有极高的加密解密效率，一定能很快就畅销起来——然而过高的售价却使得买家们望而却步。但就在这时，一个意外拯救了他的发明：英国政府发表了两份关于一次大战的文件。其中一份是1923年出版的温斯顿·丘吉尔的著作《世界危机》，其中有一段提到了英国和俄国在军事方面的合作，指出俄国人曾经成功地破译了某些德军密码，而使用这些成果，英国的海军情报处40室(1)能够系统性地取得德军的加密情报。德国方面几乎是在十年之后才知道这一真相。第二份文件同样是在1923年由皇家海军发表的关于第一次世界大战的官方报告，其中讲述了在战时盟军方面截获（并且破译）德军通讯所带来的决定性的优势。这些文件构成了对德国情报部门的隐性指控，他们最终承认“由于无线电通讯被英方截获和破译，德国海军指挥部门就好像是把自己的牌明摊在桌子上和英国海军较量。”
为了避免再一次陷入这样的处境，德军对谢尔比乌斯的发明进行了可行性研究，最终得出结论：必须装备这种加密机器。从1925年开始，谢尔比乌斯的工厂开始系列化生产“恩尼格玛”密码机，次年德军开始将这些密码机投入使用。接着政府机关，比如说国营企业、铁路部门等也开始使用“恩尼格玛”密码机，在接下来的十年中，德国军队大约装备了三万台“恩尼格玛”密码机。谢尔比乌斯的发明使德国具有了最可靠的加密系统，在第二次世界大战开始时，德军通讯的保密性在当时世界上无与伦比。
1941年恩尼格玛机键盘
二 波兰人破译“恩尼格玛”
一个恩尼格玛密码机转子的左侧，此图显示了平整的金属触点。一个V型刻痕位于左侧 这个转子的右侧，此图显示了它的金属管脚。罗马数字V标明了转子的线路
在第一次世界大战期间，英国的情报机关非常严密地监控了德国方面的通讯，丘吉尔的书和英国海军部的报告中透露的消息只不过是一鳞半爪。一个最著名的例子，1917年齐默尔曼（1916年起任德国外交部长）给德国驻美大使发送密电，通知他德国将要和墨西哥结为联盟共同对付美国，然而这封电报迅速被英国人截获和破译，这使得美国最终决定对德宣战。但是英国人巧妙的运用了一些障眼法，使得德国人一直以为是墨西哥方面泄漏了秘密。
战后英国仍旧保持着对德国通讯的监听，并保持着很高的破译率。但是从1926年开始，他们开始收到一些不知所云的信息——“恩尼格玛”密码机开始投入使用。德国方面使用的“恩尼格玛”密码机越多，英国人破解不了的电文就越多；法国人碰到的情况也一样，他们都对“恩尼格玛”密码机一筹莫展。德国从此拥有了世界上最为可靠的通讯保密系统。
英国人和法国人很快就放弃了破译这种新型密码的努力，也许是出于自信，在他们看来，凡尔赛条约约束下的德国已经造成不了什么危害。这种看法不能不说有一定的道理：1919年6月28日签订的凡尔赛条约让德国失去了13.5％的领土、12.5％的人口、16％的煤产地及半数的钢铁工业和所有的海外殖民地，海军和空军都被解散，陆军的数量也被限制在10万人以下，甚至连重炮、坦克和重机枪都不能装备。苛刻的凡尔赛条约让德国这个昔日欧陆强国变成了一只没有牙齿的老虎，也难怪英国人和法国人对其不以为然。
这是恩尼格玛密码机转子组。三个转子位于右边的固定接口和左边（标着B）的反射器两个装置之间
但实际上，德国并不甘于被他们认为过分苛刻的凡尔赛条约所束缚和羞辱。德军总参谋部虽然在形式上被解散，但其核心仍以“部队局”的形式存在和运作，并依据一战的经验继续完善德军军事学说、组织训练；另一方面，根据1922年4月16日和苏联签订的拉帕洛条约，德国也一直悄悄的在苏联训练装甲兵、飞行员及其他军事人员，研制凡尔赛和约严禁的坦克和飞机等武器。1933年纳粹党上台后更是变本加厉的对凡尔赛条约表示反对，1935年3月希特勒宣布恢复兵役制并扩充德国军队，包括建立原本禁止德国拥有的海军武器、装甲部队和空军，凡尔赛条约终于被彻底撕毁了。
尽管德国公然撕毁了凡尔赛条约，但是出于牵制苏联的目的，英法不约而同地采取了绥靖政策：法国只是象征性的提出了口头抗议，而英国甚至和德国签订了《英德海军协定》，规定德国可以拥有皇家海军35％的海军实力——这反倒为希特勒扩张海军披上了合法外衣。和对德国的所作所为听之任之的英法不同，另一个国家则一直密切的关注着德国的行动，那就是在一战灰烬中浴火重生的新独立的波兰。
在科学的其他领域，我们可以说失败乃成功之母；而在密码分析领域，我们则应该说恐惧乃成功之母。普法战争造就了法国一代优秀的密码分析专家，而第一次世界大战中英国能够破译德国的通讯密码，对失败的极大恐惧产生的动力无疑起了重要推动作用。现在，历史又一次重演。
对于波兰来说，在西面，是对失去旧日领土耿耿于怀的德国，而在东面，则是要输出革命的红色苏联。关于这两个强邻的情报是有关生死存亡的大事，波兰的密码分析专家不可能像他们的英美法同事那样爱干不干——他们必须知道这两个大国都在想什么。在此情况下波兰设立了总参二局密码处，这是一个高效率的破译机构，刚成立后不久便在1919-1920年的波苏战争中发挥了重要作用。在对西面德国通讯的监控方面，波兰人也一直进行得非常顺利——直到1926年“恩尼格玛”密码机的登场。
波兰人想方设法搞到了一台商用的“恩尼格玛”密码机，大致弄清楚了它的工作原理。但是军用型的转子内部布线和商用型的完全不同，没有这个情报，想要破译德军的电报可谓难如登天。为此波兰人使出了浑身的解数，甚至连请教占卜大师的方法都用上了，当然没有任何结果——在讲究实打实的密码破译面前可没有神秘学的容身之地。在毫无头绪地折腾了一段时间之后，绝望的波兰人几乎已经要放弃对破译这种“有史以来最为可靠的加密系统”的尝试了，然而就在这个时候事情出现转机。
汉斯-提罗·施密特是德军通讯部门长官鲁道夫的弟弟，而鲁道夫就是正式命令在军队中使用“恩尼格玛”密码机的人。尽管施密特本人就是一名在德国密码处工作的职员，但他却对德国十分厌恶。1931年11月8日，施密特化名为艾斯克和法国情报人员在比利时接头，在旅馆里他向法国情报人员提供了两份珍贵的有关“恩尼格玛”密码机操作和转子内部线路的资料，得到一万马克。靠这两份资料，盟国就完全可以复制出一台军用的“恩尼格玛”密码机。
在法国的战役中海因茨·古德里安与恩尼格码密码机
不过事情并不象想象的那么简单。要破译恩尼格玛密码，靠这些情报还远远不够。德军的一份对“恩尼格玛”密码机的评估写道：“即使敌人获取了一台同样的机器，它仍旧能够保证其加密系统的保密性。”就算有了一台“恩尼格玛”密码机，如果不知道密钥(2)的话，想破译电文，就要尝试数以亿亿计的组合，这是不现实的。“恩尼格玛”密码机的设计使得搞到了它的秘密的法国人也一筹莫展，最终法国密码分析人员断定这种密码是不可破译的。当然也有很大一部分原因是对德国人的轻视心理作祟，由于看不到破译德国密码的必要性，同盟国的密码分析专家都变得懒散下来，干这一行的头脑似乎也变得越来越平庸：他们甚至根本就懒得根据搞到的情报去复制一台“恩尼格玛”密码机。
连接恩尼格玛密码机的打印装置，有了它，操作员就不用辛苦地抄下显示板上的字母了
1921年，波兰曾经与法国签订了一个军事合作协议，因此他们反复向法国提出索要所有关于“恩尼格玛”密码机的情报的要求。如此三番之后，不胜其扰的法国人将从施密特那里买来的情报交给了波兰人，反正在他们眼里这些情报也毫无用处。但和法国人不同，破译“恩尼格玛”密码机对波兰来说至关重要，就算死马也要当作活马医——现在他们总算能迈出最初的一步了。
在施密特提供的关于“恩尼格玛”密码机的情报中，不仅有关于ENIGMA构造和转子内部连线的描述，还有德国人使用“恩尼格玛”密码机进行编码的具体规定。根据这些情报，波兰人成功的复制出了“恩尼格玛”密码机，到了1934年，他们手里的“恩尼格玛”密码机已经增加到了十几台之多。通过精心建立的数学模型推演和大量的实际试验，波兰人花了整整一年时间，终于成功的建立起一套密钥档案，并以此破译了数量惊人的密码电文，掌握了很多德国方面的情报。据估计，在1933年1月到1939年9月这六年多的时间里，波兰方面一共破译了近十万条德方的消息，其中最重要的有德国在包括苏台德地区兵力重新部署的情报，这对波兰的安全是极大的威胁。对“恩尼格玛”密码机的破解即便在总参二局领导层内部也属最高机密，军官们会收到标有“维奇尔”（Wicher，破译“恩尼格玛”密码行动的代号）的情报，他们被告知这些情报绝对可靠，但来源绝密。
由于波兰人的保密工作得当，德国人并不知道自己的密码已经被破译了，但这并不妨碍他们继续改进“恩尼格玛”密码机。转子的连线顺序被修改了，这使得波兰人花了一整年功夫才建立起来的密钥“指纹”档案变得毫无用处，但是后者并没有再次重复之前的做法，因为他们现在有了更好的创意。波兰人在“恩尼格玛”密码机的基础上，设计了一台能自动验证所有26×26×26＝17576个转子方向的机器，为了能够同时试验三个转子的所有可能位置的排列，需要同时使用6台这样的机器，如此就可以试遍所有的转子位置和初始方向（高达17576×6＝105456种之多）。所有这6台机器和为使它们协作的其他器材组装在一起，组成了一个大约一米高的解密机，能在两小时内找出当日密钥。也许是因为这台解密机运转起来所发出的刺耳噪声的缘故，波兰人将其命名为“炸弹”，这是人类历史上第一次实现密码分析机械化。
在整个30年代后期，除了偶尔因为故障不得不接受维修之外，“炸弹”机始终在不停的解析德国人的密电。不过有趣的是，这段时间里其实波兰人一直掌握着德国人的密码：在提供了两份极其重要的关于“恩尼格玛”密码机的情报后，施密特还在继续向法国情报机关提供关于德国通讯的情报。在1931年后的七年中，他和法国情报人员接头二十次，每次都提供若干德国通讯用密码本，上面记载着一个月中每天使用的当日密钥。施密特总共提供了三十八个月的密码，而这些密码实际上都被法国密码处共享给了波兰同行们。
幸运的是，波兰人一直认为自己的破译队伍应当习惯于单独工作，以便在将来得不到密码本的时候，也能同样破译德国人的密码。这种想法使得破译人员一直承受着相当大的压力，也正是这些压力使得他们不断探索更加科学高效的破译方法。1938年12月是“恩尼格玛”密码破译工作的又一个转折点，德国人加强了“恩尼格玛”密码机的加密能力：每台“恩尼格玛”密码机增加了两个可供选择的转子。原来三个转子不同的排列方式只有6种，现在则从五个转子中选取三个装入机器，组合方式立刻增加到了60种之多。这就意味着要达到原来的效率，“炸弹”中同时运转的机器数量也要增加到60台，建造这样一台解密机的价格是密码处总预算的十五倍！而到了1939年1月，德国人又把连接板上的连线从六根增加到十根，这样就只剩6个字母不会被交换——如此一来密钥的总数达到了一万五千九百亿亿个，是原来的一万五千九百倍！
尽管波兰数学家们成功地推断出了第四和第五个转子中的连线状态，但原有的破译方法已经不再适用。这本该是施密特提供的密码本派上用场的时候，然而就在这种节骨眼上，施密特停止了和法国情报部门的接头。过去的七年中施密特不断地提供的那些秘钥，都是波兰人仅靠自己的力量就能破译的；现在波兰人急需这些密钥，他们却再也搞不到了。
这对波兰是一个致命的打击，因为此时的德国人已经开始磨刀霍霍。继1938年3月吞并奥地利之后，德国又于1939年3月占领了捷克斯洛伐克除苏台德地区的其余部分，然而这仍并未使德国人得到满足：1939年4月27日德国撕毁同波兰签订的互不侵犯条约，侵占了苏台德地区；而同一时间的德国国内，反波兰的声浪也在纳粹党的蓄意煽动下不断高涨。在这种情况下，波兰人认为不久就会遭到来自德国的入侵，而在无法破译德国密码通讯的情况下，对入侵的预警和被入侵后的抵抗都是毫无希望的。考虑再三之后，波兰人决定把严格保密中的“恩尼格玛”密码机破译方法向盟国同行公开，以便在波兰遭到入侵后，拥有更大人力物力财力的盟国还可以继续对破译工作的进一步研究。
三 “超级机密”
在此之前，英国人实际上也开展过对“恩尼格玛”密码的破译工作。1938年6月，英国情报六处的副处长孟席斯上校接到了他在东欧的一名特工吉布森少校的报告：一名拒绝说出自己真实姓名的波兰犹太人通过英国驻华沙大使馆同吉布森接触，声称他曾在德国首都柏林制造“恩尼格玛”密码机的秘密工厂当过技术员和理论工程师，后来因为自己的犹太人身份而被驱逐出德国。这名犹太工程师提出可以凭自己的记忆为英国制造一部最新式的军用“恩尼格玛”密码机，而作为报酬他要求一万英镑以及给他及其亲属颁发英国护照，并允许他们在法国居住。孟席斯上校接到这个情报后，向英国情报当局作了报告，经过1个月的调查和甄别，英国情报局认为这个犹太人的话是可信的，因此决定答应他的条件。
英国情报人员为这名犹太工程师安排了一个秘密住处，并为其复制密码机的工作提供了必要的条件，不久之后一台“恩尼格玛”密码机果然被复制了出来。这台密码机在一开始确实帮了英国人的大忙，然而它也很快随着德国人对“恩尼格玛”密码机的改进而失去了作用，于是英国人又陷入了跟之前一样对德国人的密码毫无头绪的困境之中。
而同一时期的法国人则一直在依赖施密特提供的密码本，但这一情报来源也因为施密特不再和法国情报人员接头而中断了。就在这时，波兰情报部门发来了邀请，希望英法两国的密码专家前往华沙紧急讨论有关德军新式密码的事项。因为对波兰人的成果全然不知的缘故，到达波兰密码处总部之后，英法密码分析专家对这次会谈的目的非常茫然；而更为讽刺的是，到会的人员不得不使用德语来进行交流——这是唯一的在场所有人都懂的语言。但当他们见到波兰人所制造的“炸弹”解码机之后，无不被惊得目瞪口呆，并立刻察觉到了波兰人工作的价值。英法密码分析专家认为波兰在密码分析方面比世界上任何国家先进至少十年；法国人尤其吃惊，因为他们以为自己得到的情报用处不大，所以才很慷慨地把它们转给了波兰人，而波兰的同行却获得了如此的成就。
在俄国前线使用中的恩尼格码密码机
而波兰人给英法密码分析专家的更大惊喜，是宣布赠送给两国各一台“恩尼格玛”密码机的复制品，以及“炸弹”解码机的图纸。赠给法国的样机和图纸被法国密码处的贝特朗少校伪装成普通打字机和无关的机械图纸，通过外交邮包寄往巴黎；赠给英国的样机经历则惊险得多，为了避开无所不在的德国间谍的监视，英国密码专家将其交由一对毫无官方背景的夫妇携带，这对夫妇就是英国作家沙夏·居特里和女演员依弗娜·普林坦普斯。英国人的举动完全出乎了德国人的意料，因为他们的注意力都在那些有政府背景的官员身上。于是当时英国最高的机密——那台“恩尼格玛”密码机样机，就这样骗过了德国间谍的眼睛，藏在一个普通的旅行箱里安全来到了伦敦。
而就在两个星期后的1939年9月1日，德国正式发起了对波兰的入侵。正如战前所料想的那样，失去了情报支持的波军在德军咄咄逼人的攻势前不断溃败。9月28日德军进入华沙，波兰宣告投降，然而在此之前他们已经将复仇的利剑递到了英国人的手里。
二战期间，解密专家在布莱切利园曾破译了包括恩尼格玛密码机在内的不少轴心国的密码与密码文件系统。正因如此，布莱切利园附近一度成为解密中心
从1926年开始一直到1939年，英国人和法国人都以为“恩尼格玛”密码机是不可破译的，但波兰人的成功重新鼓起了他们的勇气。尽管德国人已经改进了密码机的安全性能，然而波兰人的实践表明，通过建立合理的数学模型、分析对方电文格式和密码机操作方法中的漏洞，“恩尼格玛”密码机并没有德国人认为的那样可靠。为此，英国密码局专门设立了名为政府代码及加密学校（GC&CS，Government Code and Cipher School）的机构，这所位于白金汉郡布莱奇雷庄园里的“学校”集中了英国最顶尖的密码分析专家，以及大量从牛津大学和剑桥大学招募来的数学家和数学系学生。在布莱奇雷庄园里，一大堆小木屋如同雨后春笋一样拔地而起，这些新建的木屋就是是密码分析人员的工作场所。各种信息在担负不同任务的小木屋进进出出，比方说，6号木屋是负责破译德国陆军的密码电报，从那里出来的明文由3号木屋翻译并进行综合情报分析；8号木屋专门负责对付德国海军的密码机——这是一种特别复杂的“恩尼格玛”密码机，和普通型不同，有四个转子——他们破译的情报则由4号木屋中的情报人员翻译和分析。一开始在布莱奇雷庄园工作的只有大约二百人，可是到了1945年战争结束时，这里的工作人员已经有七千人之多！
一台接近完成的“炸弹”机复制品
英国人迅速吸收了波兰同行们的技巧和经验。由于人力和资金上比波兰密码处充裕得多，因此破译能力比波兰人高出足足十倍——正好抵消因为德国人改进密码机而增加的工作量。很快，大量珍贵的情报开始从布莱奇雷庄园源源不断的送出。比如说1940年4月德国入侵丹麦和挪威之前，布莱奇雷庄园就取得了一份德军详细的军事计划；同样在英伦战役之初，密码分析人员准确预告了德军轰炸的准确时间和地点，并且获得了关于德国空军的极为宝贵的情报，比如飞机的损失情况，新飞机的补充数量和速度等。这些情报被送往M16的总部，再由那里转送战争部、空军部和海军部。从这里发出的情报一律使用一个代号——“超级机密”，为了保住这一情报渠道的安全，英国情报部门从一开始就采取了一系列极其严格的保密措施。布莱奇雷庄园是绝对机密的地方，除了战时内阁和军方少数几个决策人物外，没有人了解其中的内幕。战时内阁甚至明确规定，“超级机密”情报只能口头向英军作战的指挥员传达，不得以任何文字形式出现在战场上，以防止德军缴获可能暴露“超级机密”这一情报来源的文件。除少数几个高级将领外，其他指挥官都不知道战争情报的来源，他们只是知道这是绝对可靠的情报。
然而好景不长，1940年5月10日，德军启用了新的密码传递规则，通过原有的方法获取密钥变得非常困难，这使得布莱奇雷庄园破译的电文量急剧下降。所幸的是，在此之前，基于传奇数学家、逻辑学家、后来被称为计算机之父和人工智能之父的图灵所提出的新理论，功能更强大的新式解码机已经开始建造了。这种新式解码机的绰号仍叫“炸弹”。从1940年8月8日开始，第一台可供实用的“炸弹”开始运行。接下来的8个月里，布莱奇雷庄园里的“炸弹”激增到15台之多，一般上一台“炸弹”可以在一小时里找到一个密钥。
可能会有人存在这样一种错觉，即所有的“恩尼格玛”密码机都是一样的，而密码分析人员在找到破译的方法以后每天按部就班地进行破译工作。但事实上，德军内部有好几个不同的通讯网络，每个通讯网络都使用不同的密码机和密钥。比方说，北非军的密码本就和在欧洲的德军不同，而德国空军则使用跟陆军不同的转子设计、接线板和密码本。德国海军通讯网的保密性是最强的，他们使用专门特制的“恩尼格玛”密码机，有八个转子可供选择，这样转子的初始位置数就几乎是五个转子情况的六倍，于是布莱奇雷庄园破译它所需要花费的时间也几乎是普通情况的六倍。另外海军密码机的反射器是可以转动的，于是密钥的可能性就是原来的二十六倍。有一些海军型“恩尼格玛”密码机甚至有四个转子。
德国空军和陆军的“恩尼格玛”密码都能比较顺利地被破译，但正是因为前面所说的这些原因，英国密码分析人员在破译德国海军的电文时遇到了极大的困难，以至于为之付出了巨大的代价：德国潜艇部队使用“狼群战术”来对付英国的海上运输线，这一战术首先将众多的潜艇分散在大西洋广阔的海域中，试图寻找合适的目标；如果其中有一艘潜艇发现目标，它就会通知其它潜艇赶来增援；一旦在此海区中潜艇数量足够，它们就向目标发动进攻。很显然，在这种需要高度协作的战术中，保密和快速的通讯起着决定性的作用，而如果英国方面不能及时破译这些通讯内容，所遭受的打击是毁灭性的。
接线板位于恩尼格玛密码机前部键盘的下方。当用到接线板时，操作员最多可以在上面接13条线。在此图中，接线板上共有两对字母被连接起来（S-O和J-A）
在1940年6月到1941年6月一年间，盟军平均每月损失五十艘船只，而且建造新船只的能力已经几乎不能够跟上损失的步伐；与此相联系的还有巨大的人命损失——在战争中有高达五万名水手葬身大西洋底。当时英国所必需的食品弹药几乎完全依靠从大西洋上海运输入，如果不能有效对付“狼群战术”，海上运输线的安全就得不到保障，这意味着整个欧洲都将在和德国的战争中失败，如此可怕的结局是盟军方完全不敢想象的。
因为需要先进的数学理论和数学模型支持的缘故，此时的解密学俨然已经变成了“数学家的战争”。但尽管如此，在布莱奇雷庄园的破译工作进展缓慢的前提下，军事和间谍手段依旧要发挥重要的作用。前文所述的汉斯-提罗·史密特就是一个很好的例子。既然难以使用破译的手段来取得密钥，那么间谍、渗透以致于窃取等手段也成为必需。英国皇家空军有时采取一种名叫“播种”的手段来协助布莱奇雷庄园的破译工作，他们在某个特定的海区布撒水雷，迫使在附近的德国舰艇向其他舰艇发送有关雷区的情报。这个情报里必定包含着对此雷区所在方位等的描述，而这是英国人早已知道的，于是就可以在一定程度上为密码破解提供帮助。但是为了避免德国人的疑心，这样的花招不能时时使用，所以还需要许多其他的方式。
派间谍直接偷取密码本当然是方法之一，但不管是密码机还是密码本肯定都会被严加看管，盗取难度可想而知——而且即使得手也往往会被察觉，只要对方一更换密钥，辛辛苦苦到手的密码本就宣告作废。当时在英国情报部门工作的扬·弗莱明，也就是后来大名鼎鼎的007系列小说的作者，甚至策划了这样一个代号“杀无赦”的计划：让一架被俘的德军轰炸机在英吉利海峡中的德国舰艇附近坠毁，等到德国舰艇赶来救援时，机上假扮成德国飞行员的英国谍报人员趁机混上德国舰艇以窃取密码本。这个异想天开的计划只能用疯狂来形容，然而当时几近走投无路的英国人却差一点将之付诸实施，只是最后由于种种原因才没有执行。
除了要获得密码本外，了解德国海军特制ENIGMA机尤其是它的转子线路无疑也是破译密码所必需的。1940年2月德国潜艇U-33在苏格兰附近海面被击沉，英国情报部门从残骸中打捞出海军用“恩尼格玛”密码机上的三个转子，使得密码分析人员能对这种特别的密码机有所了解并对截获的密文作部分的破解；同年4月在挪威，盟军俘获了一条德国拖捞船，从上面取得了几份关于“恩尼格玛”密码的资料并送交图灵研究——但是在还没有取得任何进展之前，德国人就改换了转子结构，密文重新又变得牢不可破了。1941年3月4日在盟军特种兵对挪威罗弗敦群岛的突袭中缴获了两台海军用“恩尼格玛”密码机，于是盟国重新能够部分破译德海军情报。幸运的是这一次邓尼茨元帅相信了他的密码专家的夸口，认为“恩尼格玛”密码不可破译，没有再次改变密码机的设置。
当盖子盖上后，恩尼格玛密码机就可以开始使用了。转子的外缘从盖子内伸出，使操作员能够改变它的位置，而且这些转子现在的位置（RDKP）可以通过一系列小窗让操作员看见
好运一直眷顾着英国人，1941年5月7日，在一次高度机密的行动中，英国皇家海军俘获了德国气象船慕尼黑号，取得了六月份的密码本。两天后，在一次巧遇中，英国驱逐舰“斗牛犬”号迫使德国潜艇U-110浮出水面并投降，潜艇船员误以为潜艇很快就要沉没，忙于逃生而没有及时销毁艇上的密码机和密码本。在德国人醒悟过来之前，一支英国水兵小分队登上潜艇，顺利的缴获了这些重要的战利品。在六月份英军又俘获了一艘德军气象船劳恩堡号，取得六月和七月的密码本。这些进展使得布莱奇雷庄园对海军型“恩尼格玛”密码机有了比较充分的了解。虽然直至战争结束，德国人仍不时改进他们的加密系统，但一般来说英国方面总能用各种方法跟进：包括上面所说的军事和间谍手段，或者提高解码机的数量和威力。密码分析人员的经验也在不断增加，其数量也是一样。虽然如此，这样的变化总会为密码破译带来暂时的困难，从而可能遭遇严重的问题。
最大的此类危机发生在1942年2月1日，德军潜艇通讯网开始使用前面提到的四个转子“恩尼格玛”密码机，新增加的这个转子使得布莱奇雷庄园的破译工作暂时陷入僵局，于是盟军的损失大量增加。但幸运的是由于同时期美国正式参战，德军潜艇开始在美国东海岸实施袭击并频频得手，这使得德军总部难以把近期的胜利和密码机的改进联系起来。
无论如何，通过军事、情报和密码分析人员的努力，盟军终于能够掌握德国潜艇的动向，从而为运输船队选择一条安全的航线。不仅如此，反潜部队还能主动出击，寻找德军潜艇并将其击沉。不过正所谓兵不厌诈，虽然通过对德军密码的破译，盟军能够知道德国潜艇的位置，但是却只能有选择的击沉其中一部分——如果贸然击沉所有的德军潜艇，那么唯一的结果就是让德国人意识到自己的通讯已经不再安全。这一原则在反潜作战以外的领域同样适用，为数不多的例外发生在北非战役期间：1942年10月下旬，隆美尔的给养频频告急，为此他反复督促有关人员尽快派出船队运送给养。布莱奇雷庄园迅速破译了和补给船队相关的电文，然而为了避免受到空中攻击，德国人派出的5艘运输船将会沿不同航线行驶，而且专门选择了大雾弥漫的天气出航。如果这5艘船只都遭到袭击，“超级机密”就会有被暴露的危险。在经过反复斟酌之后，英国人还是将这些船只全部击沉，类似的事情在北非战役期间发生了多次。为了避免德国人怀疑到密码被破译这方面上，英国人专门精心设计了一系列的欺骗行动，其中包括反复用已被德军破译的密码向并不存在的意大利统帅部内奸发去“贺电”。这些欺骗行动是如此成功，导致德国人愤怒的向墨索里尼提出了抗议，自然也就没有人会怀疑到通讯泄密这方面了。
在使用中，恩尼格玛密码机每天都需要一份键盘设置清单和一些附加文件。德国海军用恩尼格玛密码机的操作步骤比其它军种使用的更复杂并且更安全。海军的密码本也是用水溶性的红色墨水在粉色纸上印制而成的，这样己方人员就可以在它可能被敌人缴获的时候轻松地将它销毁。图中的密码本是盟军从U-505号潜艇上缴获的
1943年10月，代号为“巨人”的原始电子计算机在布莱奇雷庄园建造完成。这台机器用1500个电子管组成十进制计数器，阅读速度提高到每秒5000字符。1944年2月，“巨人”计算机正式启用，使得密码分析人员的工作更加如虎添翼，平均每小时破译的德国情报超过了11份。通过布莱奇雷庄园送出的“超级机密”，盟军在战场上取得了明显优势：在北非，使得盟军能够切断德军的供给线，得到隆美尔将军部队的情报，“超级机密”使第八军团成功抵御了德军的攻击；在德军进攻希腊的战役中，依靠“超级机密”的情报英军成功撤退，避免了大量伤亡；“超级机密”提供了敌军在地中海地区的详细分布情报，这对盟军1943年在意大利和西西里登陆至关重要。当然“超级机密”最大的贡献还是体现在诺曼底登陆上，在登陆前的几个月里，依靠“超级机密”，盟军获得了德军在法国沿海的布防的详细情报，从而能够及时地针对敌军的虚实强弱之处改进登陆计划。
“巨人”的现代复制品
第二次世界大战结束后，在“超级机密”起到了多大作用这点上，历史学家们存在大量争议。但是毫无疑问的是，布莱奇雷庄园的密码分析专家大大地加快了战争的进程。这在大西洋战役的历史中尤其明显。如果没有“超级机密”，德国潜艇将对大西洋海运造成巨大的破坏，这就迫使盟军必须将大量的力量投入在保卫航线和保持运输能力上。历史学家们认为，在此情况下，战争很可能要拖延到1948年才能结束，这就必然造成更大的破坏和带来更多的生命损失。
最后用历史学家大卫·凯恩对“超级机密”的评价作为本文结尾：
“这拯救了生命。不仅仅是俄国人和盟军的生命，它也拯救了德国人，意大利人和日本人的生命。对许多在二次大战后幸存下来的人来说，没有这个方案，他们将已不在人世。这就是这个世界欠这些密码破译者的债务：他们的胜利折换成人类生命的价值。”
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(1) 即“40号房间”，负责破译密码的间谍机构，详细情况另见文。
(2) 所谓的密钥，就是转子自身的初始方向、转子之间的相互位置以及连接板连线的状况。
一 神秘的铀
1896年3月的一个下午，巴黎博物院自然历史部的应用物理学教授亨利·贝克勒尔打开抽屉，取出了与双氧铀硫酸钾盐放在一起的黑色纸包，惊奇的发现装在其中的感光底板已经被感光了。
亨利·贝克勒尔是一名物理学家，同时也是研究荧光和磷光的专家。1896年初，伦琴发现X射线的消息传到了巴黎，但这一科学发现原本和贝克勒尔没有任何关系，是一个偶然的机会使他遭遇上了放射性问题：当时法国有一位著名数学物理学家叫彭加勒，收到伦琴的通信后，在法国科学院1896年1月20日的例会上向与会者报告了这件事，展示了伦琴的通信和X光照片。贝克勒尔正好在场，他问彭加勒，这种射线是怎样产生的？彭加勒回答说，似乎是从真空管阴极对面发荧光的地方产生的，可能跟荧光属于同一机理。彭加勒还建议贝克勒尔试试荧光会不会伴随有X射线。
亨利·贝克勒尔
贝克勒尔发现放射性的底片
因为彭加勒的这个建议，第二天贝克勒尔就在自己的实验室里开始了试验，试图验证荧光物质会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的射线。他试来试去，终于找到了一种物质具有预期效果，这种物质就是铀盐。在最初的试验中，贝克勒尔拿出两张厚黑纸，把感光底片严严实实的包起来，即使放在太阳底下晒一天，也不会使底片感光。然后，他把铀盐放在黑纸包好的底片上，又让太阳晒几小时，就大不一样，底片显示了黑影。为了证实是射线在起作用，他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃，再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应，隔一层玻璃就应该排除，可是仍然出现了黑影。于是贝克勒尔肯定了彭加勒的假定，在法国科学院的例会上报告了实验结果。
但贝克勒尔的试验并没有就此结束，又过了几天，他正准备进一步探讨这种新现象，巴黎却连日天阴，无法晒太阳。于是，贝克勒尔只好把所有器材，包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里准备留待天气转好后继续试验。然而又过了几天之后，也许是出于职业上的某种灵感，贝克勒尔突然产生了一个念头，想看看即使不经太阳照晒，底片会不会也有变黑的现象。于是他把底片洗了出来，结果发现这些未经太阳照晒的底片其实已经被曝光了，底片上的黑影十分明显。他仔细检查了现场，肯定这些黑影是铀盐作用的结果。贝克勒尔面对这一突如其来的现象，很快就领悟到，必须放弃原来的假设，这种射线跟荧光没有直接关系，它和荧光不一样，不需要外来光激发。在新的假设推动下贝克勒尔继续试验，终于确证这是铀元素自身发出的一种射线，他把这种射线称为铀辐射。铀辐射不同于X射线，两者虽然都有很强的穿透力，但产生的机理不同。同年5月18日，他在法国科学院报告说：铀辐射乃是原子自身的一种作用，只要有铀这种元素存在，就不断有这种辐射产生。这就是发现放射性的最初经过。这一发现在当时虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时，但其意义还是很深远的——因为这是人们第一次观察到的核变化。现在通常就把这一重大发现看成是核物理学的开端，这一事件为核物理学的诞生奠定了第一块基石。
时间继续推移到1905年的6月末，在看似平淡无奇的一个下午，有位腼腆的年轻人来到邮局，向德国《物理年报》的编辑部投寄了一篇名为《论运体的电动力学》的论文，署名为阿尔伯特·爱因斯坦。
贝克勒尔实验室
1921年获得诺贝尔物理奖时的阿尔伯特·爱因斯坦
1927年在比利时布鲁塞尔索尔维国际物理研究所召开的索尔维会议集中了当时最著名的物理学家。爱因斯坦在前排中央
这篇并不算长的论文却在当时的物理学界引起了轰动，因为它标志着一种新的基础物理学理论——相对论的建立。这是爱因斯坦10年酝酿和探索的结果，它在很大程度上解决了19世纪末出现的古典物理学的危机，改变了牛顿力学的时空观念，揭露了物质和能量的相对性，创立了一个全新的物理学世界，是近代物理学领域最伟大的革命，也是构成现代物理学的基本理论框架。更重要的是，在狭义相对论的基础上，爱因斯坦提出了著名的质能方程式E＝mc2，从理论上揭示了原子能的巨大能量蕴藏。
在此之后，核物理学得到了长足的发展。1911年，卢瑟福等人利用α射线轰击各种原子，观测α射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，提出了原子结构的行星模型，这一成就为原子结构的研究奠定了基础。而在1919年，卢瑟福等又发现用α粒子轰击氮核会放出质子，这是首次用人工实现的核蜕变（核反应）。此后，核物理学研究开始进入高速发展时期，用射线轰击原子核来引起核反应的方法逐渐成为研究原子核的主要手段。
而更为重要的成果是1932年中子的发现和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和质子组成的，中子的发现为核结构的研究提供了必要的前提。中子不带电荷，不受核电荷的排斥，容易进入原子核而引起核反应。因此，中子核反应成为研究原子核的重要手段。
而决定性的成果出现在1938年。莉泽·迈特纳和奥多·哈恩同为德国柏林威廉皇帝研究所的研究员。作为放射性元素研究的一部分，迈特纳和哈恩曾经奋斗多年创造比铀重的原子（超铀原子）。用游离质子轰击铀原子，一些质子会撞击到铀原子核，并粘在上面，从而产生比铀重的元素。这一点看起来显而易见，却一直没能成功。他们用其他重金属测试了自己的方法，每次的反应都不出所料，一切都按莉泽的物理方程式所描述的发生了。可是一到铀，这种人们所知的最重的元素，就行不通了。整个20世纪30年代，没人能解释为什么用铀做的实验总是失败。
