Heinäkuussa 1939 Szilárd vakuutti taloustieteilijä Alexander Sachsin siitä, että Yhdysvaltojen tarvitsi ryhtyä voimakkaasti toimeen fissioenergian sotilaallisissa sovelluksissa saksalaisten kehityksen vastavoiman luomiseksi. Szilárd pyysi Einsteinia kirjoittamaan presidentti Rooseveltille kirjeen, jossa hahmoteltaisiin fissioon liittyvät vaarat ja mahdollisuudet.

Edward Tellerin ja Eugene Wignerin avustuksella kirje valmisteltiin 2. elokuuta 1939. Sachs esitti kirjeen ja Szilárd'in teknisen asiakirjan Rooseveltille 11. lokakuuta 1939, ja presidentti perusti välittömästi uraania käsittelevän neuvoa-antavan komitean (ACU) hallituksen tieteilijä Lyman J. Briggsin puheenjohdolla.

Kuva oikealla: A. Einstein ja L. Szilárd elokuussa 1939. Alla: alkuperäinen Einstein-Szilárd-kirje.

Ensisijaisesti tuettiin Fermin pyrkimyksiä New Yorkissa saavuttaa ketjureaktio luonnonuraanilla ja grafiittimoderraattorilla sekä tutkimuksia useissa laboratorioissa isotoopin ²³⁵U erottelemiseksi. Berkeleyssä Glenn Seaborg löysi helmikuussa 1941 alkuaineen 94 (plutoniumin) ja hän itse sekä Emilio Segrè tutkivat sen fissio-ominaisuuksia. Sen käytöstä ²³⁵U:n vaihtoehtona tuli tärkeä vaihtoehto.

Kesäkuussa 1941 Vannevar Bush vakuutti Rooseveltin siitä, että tiedemiesten osallistuminen puolustustoimintaan ja uusien aseiden kehittämiseen oli välttämätöntä. Tieteellisen tutkimuksen ja kehityksen toimisto (OSRD) perustettiin ja se raportoi suoraan presidentille. ACU siirrettiin OSRD:n alaisuuteen uudella nimellä "osasto S-1". Teollisuuden osallistumista pilottilaitosten tuotantoon suositeltiin ja tutkimuksen tiukempi poliittinen valvonta otettiin käyttöön.

Kuva yllä: S-1-projektin tieteelliset johtajat: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley 29. maaliskuuta 1940).

9. lokakuuta 1941 V. Bush esitteli brittiläisten toimittaman MAUD-raportin Rooseveltille ja varapresidentti Henry A. Wallacelle. Roosevelt antoi Bushille täydet valtuudet selvittää, voitaisiinko pommi rakentaa ja millä hinnalla presidentin erityislähteestä saatavalla rahoituksella. Tietosuoja oli tiukkaa ja yhteistyön yksityiskohdat Yhdistyneen kuningaskunnan kanssa oli määriteltävä tarkasti. Tämä tapahtuma oli ensiarvoisen tärkeä pommin todellisen valmistuksen kannalta.

Yhteistyöllä oli vaikeutensa, jotka johtuivat siitä osapuolesta, joka kulloinkin näytti olevan pidemmällä ydintutkimuksessa. Vuonna 1941 britit rajoittivat tietoja amerikkalaisille, vuonna 1942 he kieltäytyivät ottamasta brittiläistä tiimiä mukaan ohjelmaansa. Ongelmia lisäsivät ranskalaisten tiedemiesten läsnäolo brittiläisessä projektissa ja patenttipolitiikka. Tammikuussa 1943 viestintä katkesi kokonaan. Yhteistyö käynnistettiin uudelleen 17. elokuuta 1943 Québecin kolmenvälisellä sopimuksella Kanadan, Yhdistyneen kuningaskunnan ja Yhdysvaltojen välillä. Yhdistynyt kuningaskunta lopetti pommiprojektinsa ja sen tiedemiehet liittyivät Yhdysvaltojen tiimiin, vapaa tiedonvaihto varmistettiin ja kullakin osapuolella oli veto-oikeus pommin käyttöön.

Sen jälkeen kun Yhdysvallat astui sotaan joulukuussa 1941, Yhdysvaltojen ydinohjelma sai korkeimman tason resursseja ilman budjettirajoituksia.

Arthur Compton Chicagossa vastasi plutoniumin tuotannon ketjureaktiosta, Ernest Lawrence Berkeleyssä ²³⁵U:n sähkömagneettisesta isotooppierottelusta erityisesti suunnitelluilla syklotroneilla. Harold Urey isotooppierottelusta sentrifugeilla ja kaasudiffuusiolla.

Kenraali Leslie Groves nimitettiin syyskuussa 1942 projektin sotilaalliseksi johtajaksi, jolle annettiin nyt nimi "Manhattan Engineering District" (MED), ja hän antoi välittömästi korkeimman prioriteetin tarvittavien materiaalien hankkimiselle ja valitsi noin 230 neliökilometrin alueen Tennesseen osavaltiossa (Oak Ridge) halkeamateriaalia tuottavien laboratorioiden rakentamista varten.

Kuva oikealla: Kartta Oak Ridgeen rakennetusta fissiomateriaalin tuotantokompleksista. Muutamassa kuukaudessa tähän maaseutualueeseen rakennettiin suurten laboratorioiden lisäksi 13 000 asukkaan kaupunki ja 500 km:n päällystetty tieverkko. Seuraavana vuonna kaupunki saavutti 42 000 asukkaan määrän.

Enrico Fermin kokeet parempilaatuisilla luonnonuraani-grafiittipilillä antoivat hänelle luottamusta saavuttaa itsensä ylläpitävä ketjureaktio. 16. marraskuuta 1942 hän aloitti demostroivan pilin (CP1) rakentamisen Chicagossa Wignerin avustuksella teoreettisissa laskelmissa.

Ensimmäinen itsensä ylläpitävä ketjureaktio saavutettiin 2. joulukuuta 1942, mikä vahvisti mahdollisuuden käyttää ydinvassiota energian tuottamiseen ja loi plutoniumlähteen pommia varten.

CP1 puretaan välittömästi ja materiaalit palautetaan suurempaa piliä CP2 varten uudessa laboratoriossa Argonne-metsässä Chicagon lähellä.

Kuva vasemmalla: Chicagon yliopiston Stagg-stadionin läntiset katsomot, joiden alle CP1 rakennettiin.

Uraanin erotteluun käytettiin kahta menetelmää.

Sähkömagneettinen erottelumenetelmä perustuu periaatteeseen, että varautuneet kappaleet poikkeavat kulkiessaan magneettikentässä. Raskaammat ionit poikkeavat vähemmän kuin kevyemmät ionit. Asianmukaisesti sijoitetut keräimet voivat hyödyntää tätä erottelua.

Diffuusiomenetelmä perustuu siihen, että kaasun kevyemmillä molekyyleillä on korkeampi keskinopeus kuin raskaammilla molekyyleillä. Paineistetun uraniumyhdistyksen kaasun annetaan diffundoitua huokoisen esteen läpi: hieman kevyemmillä ²³⁵U-molekyyleillä on suurempi mahdollisuus paeta reikien (murto-osa mikrometriä halkaisijaltaan) kautta. Tämän jälkeen ulostuleva kaasu, joka on hieman rikastunut halutulla isotoopin kanssa (3 osaa tuhannesta), paineistetaan uudelleen ja prosessi toistetaan. Oak Ridgen laitoksessa vuonna 1945 erotteluaidan kokonaispinta-ala oli tuhansia neliömetriä ja se tuotti jopa 10 prosenttia rikastettua uraania.

Kuva ylhäällä oikealla: Kaasun virtauksen kaavamainen kuva diffuusiokaskadissa.

Pommin varsinaista suunnittelua varten MED:n tieteellinen johtaja J. Robert Oppenheimer päätti koota kaikki tarvittavat tiedemiehet ja tekniset asiantuntijat uuteen salaiseen laboratorioon, joka rakennettiin Los Alamosiin, syrjäiselle mesatunnelmalle New Mexicossa talvella 1942–1943. Maaliskuussa 1943 laboratorio, joka oli Kalifornian yliopiston vastuulla, aloitti perustutkimuksen "käytännöllisen sotilasaseen" tuottamiseksi. Useita tutkimuslaitteistoja siirrettiin eri puolilta Yhdysvaltoja: Harvardin syklotroni, kaksi Van de Graaff -kiihdytintä Wisconsinista, yksi Cockcroft-Walton Illinoisista jne. Los Alamosin väestö kaksinkertaistui joka 9. kuukausi ja saavutti yli 5000 henkilöä vuonna 1945.

Oppenheimer onnistui sotilaallisista rajoituksista huolimatta säilyttämään tieteellisen laitoksen tyylin ja tekemään tutkimustyöstä palkitsevaa. Elämä siellä oli kovaa mutta jännittävää ja kokeneiden tiedemiesten kanssa tekeminen mahdollisti nuorille fyysikkoille tärkeiden taitojen hankkimisen.

Tie plutoniumiin alkaa siitä, että ²³⁸U absorboi yhden neutronin hitailla neutroneilla toimivassa ydinreaktorissa. Prototyyppipilojen CP1 ja CP2 jälkeen teollisuusyritykset rakensivat kolme suurta reaktoria uuteen salaiseen keskukseen Hanfordissa (Washington) ja yhden Oak Ridgessä.

Los Alamosissa tutkimus uuden materiaalin kemiallisista, fysikaalisista ja metallurgisista ominaisuuksista eteni heti kun plutoniumia toimitettiin – ensin grammamäärissä ja keväästä 1945 lähtien merkittäviä määriä, riittävästi kolmen pommin tuotantoon.

3. heinäkuuta 1945 Los Alamosissa valmistui ²³⁵U-pommi "Little Boy". Halkeamismateriaali oli rikastettu 86 prosenttiin kolmelle kriittiselle massalle, joista kukin oli noin 60 kg. Sen räjähdys perustui tykkitekniikkaan, jossa käytettiin 180 cm pitkää ja 453 kg painavaa tykkiä.

Little Boy oli noin 3 m pitkä ja halkaisijaltaan 70 cm, tarpeeksi pieni mahtuakseen B-29-pommittajan pommilaariin, ja sen kokonaispaino oli noin 4000 kg. Tiedemiehet luottivat täysin sen toimintakykyyn eikä etukäteiskokeiden katsottu olevan tarpeen.

Plutoniumpommi "Fat Man" oli plutoniumiydin, jonka paino oli noin 6,1 kg, ja se vaati imploosiomenetelmään perustuvan räjähdyksen ennenaikaisen räjähdyksen estämiseksi, käyttäen noin 2300 kg räjähdysaineita. Ydin, uraanivaimennin ja räjähdysaineet pidettiin paikallaan kahdestatoista viisikulmaisesta osasta koostuvalla metallipallolla. Aseessa oli stabiloivat siivekkeet ja suojaava munankuoren muotoinen ulkokuori, jonka halkaisija oli 150 cm. "Fat Man" oli noin 365 cm pitkä ja painoi noin 4900 kg.

Kuva: Fat Man -pommi valmistellaan Tianinissa Mariaaneilla toimitettavaksi Nagasakiin.

Imploosiomenetelmä oli täysin uusi eikä alustavat osittaiset kokeet antaneet täyttä varmuutta.

Siksi, kun plutoniumia oli riittävästi saatavilla, täydellisen pommin lopullinen koe suoritettiin Alamogordossa New Mexicon aavikolle heinäkuun puolivälissä 1945 Trinity-nimisessä paikassa.

Aseen tehokkuus oli 17 % ja tuotto 22 kt. Koe mahdollisti myös useiden teknisten yksityiskohtien tarkistamisen, mutta päätavoitteena oli kokea suoraan ydinräjähdyksen vaikutukset.

Kukaan ensimmäisen ydinräjähdyksen todistajista ei ollut valmistautunut todelliseen tapahtumaan: alkuperäisestä välähdyksestä ja varhaisesta tulipallosta ilman ääntä, valonpulssin hiljaisesta lämmöstä kuin samanaikaisina kovana läpsäytyksenä molemmille poskille, iskuaaltoon, joka kiisi aavikkomaata pitkin, ja trümmerpilveen, joka muodosti pahaenteisen sienenpilven muodon.

Kuva oikealla: Maan historian ensimmäisen ydinräjähdyksen alkuperäinen tulipallo, 16. heinäkuuta 1945.

Ydinräjähdyksen kehitys ja sen vaikutukset riippuvat tehon lisäksi räjähdystyypistä – ilma, suuri korkeus, pinta, vedenalainen, maanalainen – sekä erityisistä meteorologisista olosuhteista ja maaston laadusta.

Tärkeimmät ilmiöt pysyvät kuitenkin muuttumattomina. Räjähdyksen lyhyessä ajassa tuotettu suuri energia kuumentaa aineet useisiin kymmeniin miljooniin asteisiin ja saavutetaan miljoona kertaa ilmanpainetta suuremmat paineet. Suuria energiamääriä säteilee pääasiassa röntgensäteinä, jotka absorboituvat ilmaan, mikä johtaa erittäin kuuman ja hehkuvan ilmamassan muodostumiseen. Tämä tulipallo kasvaa kooltaan ja nousee samalla viilentyen. Minuutin kuluttua valon emissio lakkaa ja pilvi on noussut noin 7 km:n korkeuteen.

Vasemmalla oleva kuvasarja näyttää räjähdystulipallon kehittymisen ensimmäiset 4 sekuntia Trinity-kokeen aikana.

Vuoden 1945 alussa kävi selväksi, että liittoutuneet olivat voittamassa sodan sekä Euroopassa että Tyynellämerellä. Useat tiedemiehet alkoivat keskustella ydinvoiman yhteiskunnallisista ja poliittisista vaikutuksista sekä pommin tosiasiallisen käytön seurauksista. Kesäkuussa 1945 James Franckin raportti ehdotti Japanin varoittamista ja pommin voiman osoittamista asumattomalla alueella sen tuhoavien vaikutusten vuoksi. Tieteellinen paneeli, johon kuuluivat Compton, Fermi, Lawrence ja Oppenheimer, perustettiin neuvomaan väliaikaista komiteaa ja se raportoi tiedemiesten näkemyksistä.

Aseen suoraa sotilaallista käyttöä pidettiin kuitenkin välttämättömänä kaikkia liittolaisia kuultuaan, vaikka tulevaisuudessa suunniteltiin avointa kansainvälistä yhteistyötä siviiliydinvoiman kehittämiseksi.

6. elokuuta 1945 aamulla kello 8.15 Little Boy pudotettiin Hiroshimaan ja räjähti 580 metrin korkeudella kaupungin yläpuolella teholla 12–15 kt. 9. elokuuta 1945 kello 11.02 Fat Man räjähti 503 metrin korkeudella Nagasakin yläpuolella; sen teho oli yli 22 kt. Molemmat kaupungit tuhoutuivat, yli satatuhatta kuoli ja satatuhatta haavoittui. Japani antautui ja toinen maailmansota päättyi. Lopullinen päätös pommin pudottamisesta oli sekä sotilaallisesti motivoitunut – suuren siviiliuhrien määrän välttämiseksi Japanin hyökkäyksen yhteydessä – että poliittisesti, sodan päättämiseksi ennen kuin Neuvostoliitto voisi laajentaa Tyynellämerellä.

Kuva: Eversti Paul W. Tibbets Jr. "Enola Gay" B-52-pommittajallaan ennen lentoonlähtöä Hiroshimaan.

Sodan jälkeen alettiin tarkastella siviili- ja sotilasydinvoiman näkymiä. Uusi amerikkalainen presidentti Harry S. Truman perusti "väliaikaisen komitean" päättämään aseiden käytöstä ja siitä, miten ydinohjelma muotoillaan tulevaisuutta varten. Tehtävistä päätöksistä oli se, jatketaanko kansainvälistä yhteistyötä vai noudatetaanko amerikkalaisen monopolin politiikkaa.

Mutta toinen maailmansota oli käännekohtana tiedemiesten ja hallitusten suhteissa. Tiedemiehet eivät ainoastaan keksineet ja rakentaneet uusia aseita, vaan he myös aktiivisesti edistivät niitä ja osallistuivat päätöksentekoon milloin ja miten niitä käytetään, heistä tuli täysimääräisiä kumppaneita poliittisessa päätöksentekoprosessissa.

Atomikommin sotilaallinen ja poliittinen menestys sekä ydinenergiaan liittyvät taloudelliset näkymät antoivat tiedeyhteisölle näkyvyyttä ja valtaa kaikkialla. Yhdistynyt kuningaskunta, Venäjä ja Ranska tarvitsivat tiedemiehiä omien ydinarsenaaliensa rakentamiseen. Yhdysvalloissa fyysikot saivat runsaasti taloudellista tukea ja pystyivät voittamaan sotilasorganisaation toiveiden vastaisesti vastuun ydinenergiakehityksen valvonnasta. Yhdysvalloissa ydinenergiapolitiikka delegoitiin Atomienergikomissiolle, siviilivalvonnan alaiselle elimelle.