Nel luglio 1939 Szilárd convinse l'economista Alexander Sachs della necessità di una forte iniziativa americana nelle applicazioni militari della fissione, per contrastare gli sviluppi tedeschi. Szilárd chiese ad Einstein di scrivere una lettera al presidente Roosevelt delineando i pericoli e le opportunità della fissione.

Con il contributo di Edward Teller e Eugene Wigner la lettera fu preparata il 2 agosto 1939. Sachs presentò la lettera e un documento tecnico di Szilárd a Roosevelt l'11 ottobre 1939, e il presidente creò immediatamente un Comitato consultivo sull'Uranio (ACU) sotto la presidenza dello scienziato governativo Lyman J. Briggs.

Immagine a destra: A. Einstein e L. Szilárd nell'agosto 1939. In basso: la lettera originale Einstein-Szilárd.

Venne data priorità agli sforzi di Fermi a New York per produrre una reazione a catena con uranio naturale e un moderatore in grafite, insieme agli studi in diversi laboratori di ricerca sulla separazione dell'isotopo ²³⁵U. A Berkeley l'elemento 94 (plutonio) fu scoperto da Glenn Seaborg nel febbraio 1941 e le sue proprietà di fissione furono studiate da lui stesso e da Emilio Segrè. Il suo utilizzo come alternativa al ²³⁵U divenne un'opzione importante.

Nel giugno 1941 Vannevar Bush convinse Roosevelt della necessità della partecipazione degli scienziati alle attività di difesa e allo sviluppo di nuove armi. Viene creato l'Office of Scientific Research and Development (OSRD), che riporta direttamente al presidente. L'ACU viene posto sotto il controllo dell'OSRD con il nuovo nome di «Sezione S-1». La partecipazione dell'industria alla produzione di impianti pilota è raccomandata e viene instaurato un controllo politico più rigido sulla ricerca.

Immagine sopra: I responsabili scientifici del progetto S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 marzo 1940).

Il 9 ottobre 1941 V. Bush presenta il rapporto MAUD, messo a disposizione dai britannici, a Roosevelt e al vicepresidente Henry A. Wallace. Roosevelt conferisce a Bush piena autorità di esaminare se una bomba potesse essere costruita e a quale costo, con il finanziamento necessario fornito da una fonte presidenziale speciale. Doveva essere mantenuto un rigoroso segreto e i dettagli della collaborazione con il Regno Unito dovevano essere definiti con precisione. Questo evento fu di fondamentale importanza per la realizzazione effettiva della bomba.

La collaborazione ebbe le sue difficoltà, generate dalla parte che sembrava essere più avanzata nella ricerca nucleare in un dato momento. Nel 1941 i britannici limitarono le informazioni agli americani, nel 1942 si rifiutarono di includere un team britannico nel loro programma. I problemi si aggravarono per la presenza degli scienziati francesi nel progetto britannico e per la politica sui brevetti. Nel gennaio 1943 la comunicazione fu completamente interrotta. La collaborazione fu ripresa con l'accordo trilaterale di Quebec del 17 agosto 1943 tra Canada, Regno Unito e USA. Il Regno Unito interruppe il proprio progetto di bomba e i suoi scienziati si unirono al team statunitense, fu garantito il libero scambio di informazioni e ogni parte ha un diritto di veto sull'uso della bomba.

Dopo l'ingresso degli USA in guerra nel dicembre 1941, il programma nucleare statunitense ricevette risorse al massimo livello, senza alcun limite di budget.

Arthur Compton a Chicago era incaricato di raggiungere la reazione a catena per la produzione di plutonio, Ernest Lawrence a Berkeley della separazione isotopica elettromagnetica del ²³⁵U usando ciclotoni appositamente progettati. Harold Urey della separazione isotopica con centrifughe e diffusione gassosa.

Il generale Leslie Groves viene nominato nel settembre 1942 capo militare del progetto, ora chiamato «Manhattan Engineering District» (MED), e assegna immediatamente la massima priorità all'ottenimento dei materiali necessari e seleziona un'area di circa 230 km quadrati nel Tennessee (Oak Ridge) per la costruzione dei laboratori dedicati alla produzione dei materiali fissili.

Immagine a destra: Mappa del complesso di Oak Ridge costruito per la produzione di materiali fissili. In pochi mesi, quest'area rurale vide la costruzione, oltre a enormi laboratori, di una città con una popolazione di 13.000 abitanti e una rete stradale asfaltata di 500 km. L'anno successivo la città raggiunse 42.000 abitanti.

Gli esperimenti di Enrico Fermi con pile di qualità superiore di uranio naturale e grafite lo convinsero di poter raggiungere una reazione a catena autosufficiente. Il 16 novembre 1942 iniziò la costruzione di una pila dimostrativa (CP1) a Chicago, con l'assistenza di Wigner per i calcoli teorici.

La prima reazione a catena autosufficiente fu raggiunta il 2 dicembre 1942, confermando la possibilità di usare la fissione nucleare per produrre energia e creando una fonte di plutonio per la bomba.

CP1 viene immediatamente smontata e i materiali recuperati per una pila più grande, CP2, nel nuovo laboratorio nella foresta di Argonne vicino a Chicago.

Immagine a sinistra: Le tribune occidentali dello Stadio Stagg dell'Università di Chicago sotto cui fu costruito CP1.

Furono perseguiti due metodi per la separazione dell'uranio.

Il metodo di separazione elettromagnetica si basa sul principio che gli oggetti carichi vengono deviati quando si muovono in un campo magnetico. Gli ioni più pesanti vengono deviati in misura minore rispetto agli ioni più leggeri. Collettori opportunamente posizionati possono sfruttare questa separazione.

Il metodo di diffusione si basa sul fatto che le molecole più leggere in un gas avranno una velocità media più elevata rispetto alle molecole più pesanti. Un gas compresso di un composto dell'uranio viene lasciato diffondere attraverso una barriera porosa: le molecole di ²³⁵U leggermente più leggere hanno una maggiore possibilità di fuoriuscire attraverso fori (di una frazione di micron di diametro). Il gas che ne fuoriesce, leggermente arricchito con l'isotopo desiderato (3 parti per 1000), viene poi ricompresso e il processo viene ripetuto. Nell'impianto di Oak Ridge nel 1945, la superficie totale della barriera di separazione raggiunse migliaia di metri quadrati e produsse uranio arricchito fino al 10%.

Immagine in alto a destra: Schema del flusso del gas in una cascata di diffusione.

Per la progettazione effettiva della bomba, J. Robert Oppenheimer, direttore scientifico del MED, decise di riunire tutti gli scienziati e gli esperti tecnici necessari in un nuovo laboratorio segreto, che fu costruito a Los Alamos, un altopiano isolato nel New Mexico, durante l'inverno del 1942-1943. Nel marzo 1943 il laboratorio, sotto la responsabilità dell'Università della California, iniziò la ricerca di base per produrre «un'arma militare pratica». Diversi apparati di ricerca furono trasferiti da varie parti degli USA: il ciclotrone di Harvard, due acceleratori Van de Graaff dal Wisconsin, uno Cockcroft-Walton dall'Illinois ecc. La popolazione di Los Alamos raddoppiò ogni 9 mesi, raggiungendo oltre 5000 persone nel 1945.

Oppenheimer, nonostante i vincoli militari, riuscì a mantenere lo stile di un'istituzione scientifica e a rendere gratificante il lavoro di ricerca. La vita era dura ma entusiasmante e il contatto con scienziati esperti permise ai giovani fisici di acquisire competenze fondamentali.

La strada verso il plutonio inizia consentendo al ²³⁸U di assorbire un neutrone in un reattore nucleare che opera con neutroni lenti. Dopo le pile prototipo CP1 e CP2, aziende industriali costruirono tre grandi reattori in un nuovo centro segreto a Hanford (Washington) e uno a Oak Ridge.

A Los Alamos, la ricerca sulle proprietà chimiche, fisiche e metallurgiche del nuovo materiale procedette non appena il plutonio fu consegnato – prima in quantità di grammi e, dalla primavera del 1945, in quantità sostanziali, sufficienti per la produzione di tre bombe.

Il 3 luglio 1945 a Los Alamos la bomba al ²³⁵U, chiamata «Little Boy», fu completata. Il materiale fissile era arricchito fino all'86% per 3 masse critiche, ciascuna di circa 60 kg. La sua detonazione era basata sulla tecnica del cannone, usando un cannone di 180 cm di lunghezza e 453 kg di peso.

Little Boy era lunga circa 3 m, con un diametro di 70 cm, abbastanza piccola da stare nel vano bombe di un bombardiere B-29, e aveva un peso totale di circa 4000 kg. Gli scienziati avevano piena fiducia nella sua capacità di funzionamento e nessuna prova preliminare fu ritenuta necessaria.

La bomba al plutonio «Fat Man» aveva un nucleo di plutonio del peso di circa 6,1 kg e richiedeva la detonazione basata sulla tecnica dell'implosione, per evitare la predetonazione, usando circa 2300 kg di esplosivo ad alto potenziale. Il nucleo, il tamper di uranio e gli esplosivi erano tenuti in posizione da una sfera metallica composta da dodici sezioni pentagonali. L'arma aveva pinne stabilizzatrici e un involucro esterno protettivo a forma di uovo, di 150 cm di diametro. «Fat Man» era lunga circa 365 cm e pesava circa 4900 kg.

Immagine: La bomba Fat Man in fase di preparazione a Tinian nelle Marianne per la consegna su Nagasaki.

La tecnica dell'implosione era completamente nuova e i test parziali preliminari non davano piena certezza.

Pertanto, appena fu disponibile abbastanza plutonio, a metà luglio 1945 fu effettuato un test finale della bomba completa ad Alamogordo, nel deserto del New Mexico, in un sito chiamato Trinity.

L'efficienza dell'arma fu del 17% con una resa di 22 kt. Il test consentì anche la verifica di diversi dettagli tecnici, ma l'obiettivo principale era quello di sperimentare direttamente gli effetti di un'esplosione nucleare.

Nessuno dei testimoni della prima esplosione nucleare era preparato all'evento reale: dal lampo iniziale e dalla prima palla di fuoco senza alcun rumore, dal calore silenzioso dell'impulso luminoso, come schiaffi forti e simultanei su entrambe le guance, all'onda d'urto che attraversò il suolo del deserto, e alla nube di detriti che formava l'inquietante forma a fungo.

Immagine a destra: La palla di fuoco iniziale della prima esplosione nucleare sulla Terra, 16 luglio 1945.

L'evoluzione di un'esplosione nucleare e i suoi effetti dipendono, oltre che dalla resa, dal tipo di detonazione – aerea, ad alta quota, in superficie, sottomarina, sotterranea – e dalle specifiche condizioni meteorologiche e dalla natura del terreno.

I principali fenomeni rimangono tuttavia invariati. La grande energia prodotta nel breve tempo dell'esplosione riscalda i materiali a temperature di diverse decine di milioni di gradi e vengono raggiunte pressioni pari a un milione di volte quella atmosferica. Grandi quantità di energia vengono irradiate principalmente come raggi X, che vengono assorbiti dall'aria, portando alla formazione di una massa d'aria caldissima e incandescente. Questa palla di fuoco cresce di dimensioni e si innalza, diminuendo la sua temperatura. Dopo un minuto l'emissione di luce cessa e la nube è salita a circa 7 km di quota.

La sequenza di foto a sinistra mostra i primi 4 secondi nell'evoluzione della palla di fuoco dell'esplosione durante il test Trinity.

All'inizio del 1945 divenne chiaro che gli alleati stavano vincendo la guerra sia in Europa che nel Pacifico. Diversi scienziati iniziarono a discutere le implicazioni sociali e politiche dell'energia nucleare e le conseguenze dell'uso effettivo della bomba. Nel giugno 1945 il rapporto di James Frank suggerì di avvertire il Giappone e di dimostrare la potenza della bomba in qualche zona disabitata, di fronte ai suoi effetti devastanti. Un Comitato scientifico, composto da Compton, Fermi, Lawrence e Oppenheimer, fu creato per consigliare il Comitato Interinale e riferì le opinioni degli scienziati.

Tuttavia, dopo aver consultato tutti gli alleati, fu ritenuto necessario un uso militare diretto dell'arma, anche se, per il futuro, era prevista un'aperta cooperazione internazionale per lo sviluppo dell'energia nucleare civile.

La mattina del 6 agosto 1945 alle 8:15, Little Boy fu sganciata su Hiroshima esplodendo a 580 m sopra la città, con una resa compresa tra 12 kt e 15 kt. Il 9 agosto 1945 alle 11:02, Fat Man esplose a 503 m sopra Nagasaki; la sua resa fu superiore a 22 kt. Le due città furono distrutte, con più di centomila morti e centomila feriti. Il Giappone si arrese e la Seconda guerra mondiale ebbe fine. La decisione finale di sganciare la bomba era sia militarmente motivata, per evitare un alto tributo di vite nell'invasione del Giappone, che politica, per concludere la guerra prima che l'Unione Sovietica potesse espandersi nell'area del Pacifico.

Immagine: Il col. Paul W. Tibbets, Jr., sul suo bombardiere B-52 «Enola Gay» prima del decollo per Hiroshima.

Dopo la guerra si cominciarono a esaminare le prospettive dell'energia nucleare civile e militare. Il nuovo presidente americano Harry S. Truman creò un «Comitato Interinale» per decidere sull'uso delle armi e su come impostare un programma nucleare per il futuro. Tra le decisioni da prendere c'era se proseguire con la cooperazione internazionale o seguire una politica di monopolio americano.

Ma la Seconda guerra mondiale fu un punto di svolta nelle relazioni tra scienziati e governi. Gli scienziati non solo inventarono e costruirono nuove armi, le promoссero attivamente e parteciparono alle decisioni su quando e come usarle, diventando partner a pieno titolo nel processo di elaborazione delle politiche.

Il successo militare e politico della bomba atomica e le prospettive economiche dell'energia nucleare conferirono visibilità e potere alla comunità scientifica ovunque. Il Regno Unito, la Russia e la Francia avevano bisogno di scienziati per costruire i propri arsenali nucleari. Negli USA i fisici ottennero grande supporto finanziario e riuscirono a conquistare, nonostante i desideri dell'establishment militare, la responsabilità del controllo sullo sviluppo dell'energia nucleare. Negli USA, la politica sull'energia nucleare fu delegata alla Commissione per l'Energia Atomica, un organo sotto controllo civile.