Em julho de 1939, Szilárd convenceu o economista Alexander Sachs da necessidade de uma forte iniciativa americana nas aplicações militares da fissão, para contrariar os desenvolvimentos alemães. Szilárd pediu a Einstein que escrevesse uma carta ao presidente Roosevelt delineando os perigos e as oportunidades da fissão.

Com a contribuição de Edward Teller e Eugene Wigner, a carta foi preparada a 2 de agosto de 1939. Sachs apresentou a carta e um documento técnico de Szilárd a Roosevelt a 11 de outubro de 1939, e o presidente criou imediatamente um Comité Consultivo para o Urânio (ACU) sob a presidência do cientista governamental Lyman J. Briggs.

Imagem à direita: A. Einstein e L. Szilárd em agosto de 1939. Abaixo: a carta original Einstein-Szilárd.

Foi dada prioridade aos esforços de Fermi em Nova Iorque para produzir uma reação em cadeia com urânio natural e um moderador de grafite, juntamente com estudos em vários laboratórios de investigação sobre a separação do isótopo ²³⁵U. Em Berkeley, o elemento 94 (plutónio) foi descoberto por Glenn Seaborg em fevereiro de 1941 e as suas propriedades de fissão foram estudadas por ele e por Emilio Segrè. A sua utilização como alternativa ao ²³⁵U tornou-se uma opção importante.

Em junho de 1941, Vannevar Bush convenceu Roosevelt da necessidade da participação de cientistas nas atividades de defesa e no desenvolvimento de novas armas. O Office of Scientific Research and Development (OSRD) é criado, reportando diretamente ao presidente. O ACU é colocado sob o controlo do OSRD com o novo nome de «Secção S-1». A participação da indústria na produção de instalações piloto é recomendada e um controlo político mais rigoroso da investigação é implementado.

Imagem acima: Os líderes científicos do projeto S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 de março de 1940).

A 9 de outubro de 1941, V. Bush apresenta o relatório MAUD, disponibilizado pelos britânicos, a Roosevelt e ao vice-presidente Henry A. Wallace. Roosevelt dá a Bush plena autoridade para investigar se uma bomba poderia ser construída e a que preço, com o financiamento necessário proveniente de uma fonte presidencial especial. Um estatuto de rigoroso secretismo tinha de ser mantido e os detalhes da colaboração com o Reino Unido tinham de ser precisamente definidos. Este acontecimento foi de primordial importância para a fabricação real da bomba.

A colaboração teve as suas dificuldades, geradas pela parte que parecia estar mais avançada na investigação nuclear num dado momento. Em 1941, os britânicos limitaram a informação aos americanos; em 1942, recusaram incluir uma equipa britânica no seu programa. Os problemas foram agravados pela presença dos cientistas franceses no projeto britânico e pela política de patentes. Em janeiro de 1943, a comunicação foi completamente cortada. A colaboração foi retomada com o acordo trilateral de Quebec de 17 de agosto de 1943 entre o Canadá, o Reino Unido e os EUA. O Reino Unido suspendeu o seu projeto de bomba e os seus cientistas juntaram-se à equipa americana, foi assegurado o livre intercâmbio de informação e cada parte tem direito de veto sobre a utilização da bomba.

Após a entrada dos EUA na guerra em dezembro de 1941, o programa nuclear americano recebeu recursos do mais alto nível, sem quaisquer limitações orçamentais.

Arthur Compton em Chicago estava encarregado de atingir a reação em cadeia para a produção de plutónio, Ernest Lawrence em Berkeley da separação isotópica eletromagnética do ²³⁵U usando ciclotrons especialmente concebidos. Harold Urey da separação isotópica com centrifugas e difusão gasosa.

O general Leslie Groves é nomeado em setembro de 1942 chefe militar do projeto, agora denominado «Manhattan Engineering District» (MED), e atribui imediatamente a mais alta prioridade à obtenção dos materiais necessários e seleciona uma área de cerca de 230 quilómetros quadrados no Tennessee (Oak Ridge) para a construção dos laboratórios dedicados à produção dos materiais físseis.

Imagem à direita: Mapa do complexo de Oak Ridge construído para a produção de materiais físseis. Em poucos meses, esta zona rural viu a construção, além de enormes laboratórios, de uma cidade com uma população de 13.000 habitantes e uma rede de estradas pavimentadas de 500 km. No ano seguinte, a cidade atingiu 42.000 habitantes.

As experiências de Enrico Fermi com pilhas de melhor qualidade de urânio natural e grafite deram-lhe confiança para alcançar uma reação em cadeia autossustentada. A 16 de novembro de 1942 começou a construção de uma pilha de demonstração (CP1) em Chicago, com a assistência de Wigner para os cálculos teóricos.

A primeira reação em cadeia autossustentada foi alcançada a 2 de dezembro de 1942, confirmando a possibilidade de usar a fissão nuclear para produzir energia e criando uma fonte de plutónio para a bomba.

A CP1 é imediatamente desmontada e os materiais recuperados para uma pilha maior, a CP2, no novo laboratório na floresta de Argonne perto de Chicago.

Imagem à esquerda: As bancadas ocidentais do Estádio Stagg da Universidade de Chicago sob as quais foi construída a CP1.

Foram seguidos dois métodos para a separação do urânio.

O método de separação eletromagnética baseia-se no princípio de que objetos carregados sofrem deflexão ao movimentarem-se num campo magnético. Os iões mais pesados serão desviados em menor grau do que os iões mais leves. Coletores colocados adequadamente podem tirar partido desta separação.

O método de difusão baseia-se no facto de as moléculas mais leves num gás terem uma velocidade média mais alta do que as moléculas mais pesadas. Um gás comprimido de um composto de urânio é deixado a difundir através de uma barreira porosa: as moléculas de ²³⁵U ligeiramente mais leves têm maior probabilidade de escapar por orifícios (de uma fração de micron de diâmetro). O gás que emerge, ligeiramente enriquecido com o isótopo desejado (3 partes por 1000), é novamente comprimido e o processo é repetido. Na instalação de Oak Ridge em 1945, a área total da barreira de separação atingiu milhares de metros quadrados e produziu urânio enriquecido até 10%.

Imagem superior direita: Diagrama esquemático do fluxo de gás numa cascata de difusão.

Para o projeto real da bomba, J. Robert Oppenheimer, diretor científico do MED, decidiu reunir todos os cientistas e especialistas técnicos necessários num novo laboratório secreto, que foi construído em Los Alamos, um planalto isolado no Novo México, durante o inverno de 1942-1943. Em março de 1943, o laboratório, sob a responsabilidade da Universidade da Califórnia, iniciou a investigação básica para produzir «uma arma militar prática». Vários aparelhos de investigação foram transferidos de diferentes partes dos EUA: o ciclotron de Harvard, dois aceleradores Van de Graaff do Wisconsin, um Cockcroft-Walton do Illinois, etc. A população de Los Alamos duplicou a cada 9 meses, atingindo mais de 5000 em 1945.

Oppenheimer, apesar das restrições militares, conseguiu manter o estilo de uma instituição científica e tornar o trabalho de investigação gratificante. A vida era difícil mas estimulante e o contacto com cientistas experientes permitiu aos jovens físicos adquirir competências vitais.

O caminho para o plutónio começa por permitir que o ²³⁸U absorva um neutrão num reator nuclear que funciona com neutrões lentos. Após as pilhas protótipo CP1 e CP2, empresas industriais construíram três grandes reatores num novo centro secreto em Hanford (Washington) e um em Oak Ridge.

Em Los Alamos, a investigação sobre as propriedades químicas, físicas e metalúrgicas do novo material avançou logo que o plutónio foi entregue — primeiro em quantidades de gramas e, a partir da primavera de 1945, em quantidades substanciais, suficientes para a produção de três bombas.

A 3 de julho de 1945 em Los Alamos, a bomba de ²³⁵U, chamada «Little Boy», foi concluída. O material físsil estava enriquecido até 86% para 3 massas críticas, cada uma de cerca de 60 kg. A sua detonação baseava-se na técnica do canhão, usando um canhão de 180 cm de comprimento e pesando 453 kg.

A Little Boy tinha cerca de 3 m de comprimento, com um diâmetro de 70 cm, pequena o suficiente para caber no compartimento de bombas de um bombardeiro B-29, e tinha um peso total de cerca de 4000 kg. Os cientistas tinham plena confiança na sua capacidade de funcionamento e nenhum teste preliminar foi considerado necessário.

A bomba de plutónio «Fat Man» tinha um núcleo de plutónio com cerca de 6,1 kg e exigia detonação baseada na técnica de implosão, para evitar a pré-detonação, usando cerca de 2300 kg de explosivos de alta potência. O núcleo, o tamper de urânio e os explosivos eram mantidos em posição por uma esfera metálica composta por doze secções pentagonais. A arma tinha barbatanas estabilizadoras e uma carcaça exterior protetora em forma de ovo, com 150 cm de diâmetro. A «Fat Man» tinha cerca de 365 cm de comprimento e pesava cerca de 4900 kg.

Imagem: A bomba Fat Man a ser preparada em Tinian nas Marianas para ser lançada sobre Nagasaki.

A técnica de implosão era completamente nova e os testes parciais preliminares não davam total confiança.

Por isso, assim que havia plutónio suficiente disponível, um teste final da bomba completa foi realizado em Alamogordo, no deserto do Novo México, num local chamado Trinity em meados de julho de 1945.

A eficiência da arma foi de 17% com um rendimento de 22 kt. O teste permitiu também verificar vários detalhes técnicos, mas o objetivo principal era experimentar diretamente os efeitos de uma explosão nuclear.

Nenhuma das testemunhas da primeira explosão nuclear estava preparada para o acontecimento real: desde o clarão inicial e a primeira bola de fogo sem qualquer ruído, desde o calor silencioso do pulso de luz, como bofetadas fortes simultâneas em ambas as faces, à onda de choque que atravessou o solo do deserto, e à nuvem de detritos formando a inquietante forma de cogumelo.

Imagem à direita: A bola de fogo inicial da primeira explosão nuclear alguma vez ocorrida na Terra, 16 de julho de 1945.

A evolução de uma explosão nuclear e os seus efeitos dependem, além do seu rendimento, do tipo de detonação — aérea, a grande altitude, à superfície, subaquática, subterrânea — e das condições meteorológicas específicas e da natureza do terreno.

No entanto, os principais fenómenos permanecem inalterados. A grande energia produzida no curto tempo da explosão aquece os materiais a temperaturas de várias dezenas de milhões de graus e são atingidas pressões um milhão de vezes superiores à pressão atmosférica. Grandes quantidades de energia são irradiadas principalmente como raios X, que são absorvidos pelo ar, levando à formação de uma massa de ar extremamente quente e incandescente. Esta bola de fogo cresce de tamanho e sobe, diminuindo a sua temperatura. Após um minuto, a emissão de luz cessa e a nuvem subiu a cerca de 7 km de altitude.

A sequência de fotografias à esquerda mostra os primeiros 4 segundos na evolução da bola de fogo da explosão durante o teste Trinity.

No início de 1945 tornou-se claro que os aliados estavam a ganhar a guerra tanto na Europa como no Pacífico. Vários cientistas começaram a discutir as implicações sociais e políticas da energia nuclear e as consequências do uso real da bomba. Em junho de 1945, o relatório de James Frank sugeriu avisar o Japão e demonstrar o poder da bomba em alguma área desabitada, face aos seus efeitos devastadores. Um Painel Científico, composto por Compton, Fermi, Lawrence e Oppenheimer, foi criado para aconselhar o Comité Interino, e relatou os pontos de vista dos cientistas.

No entanto, após consulta a todos os aliados, foi considerado necessário um uso militar direto da arma, mesmo que, para o futuro, estivesse prevista uma cooperação internacional aberta para o desenvolvimento da energia nuclear civil.

Na manhã de 6 de agosto de 1945 às 8h15, a Little Boy foi lançada sobre Hiroshima, explodindo a 580 m acima da cidade, com um rendimento entre 12 kt e 15 kt. A 9 de agosto de 1945 às 11h02, a Fat Man explodiu a 503 m acima de Nagasaki; o seu rendimento foi superior a 22 kt. As duas cidades foram destruídas, com mais de cem mil mortos e cem mil feridos. O Japão rendeu-se e a Segunda Guerra Mundial chegou ao fim. A decisão final de lançar a bomba foi tanto militarmente motivada, para evitar um grande número de vítimas na invasão do Japão, como política, para terminar a guerra antes de a União Soviética poder expandir-se na área do Pacífico.

Imagem: O Cel. Paul W. Tibbets, Jr., no seu bombardeiro B-52 «Enola Gay» antes da descolagem para Hiroshima.

Após a guerra, as perspetivas da energia nuclear civil e militar começaram a ser examinadas. O novo presidente americano, Harry S. Truman, criou um «Comité Interino» para decidir sobre o uso das armas e como moldar um programa nuclear para o futuro. Entre as decisões a tomar estava saber se deveriam prosseguir com a cooperação internacional ou seguir uma política de monopólio americano.

Mas a Segunda Guerra Mundial foi um ponto de viragem nas relações entre cientistas e governos. Os cientistas não apenas inventaram e construíram novas armas, promoveram-nas ativamente e participaram na decisão de quando e como usá-las, tornando-se parceiros plenos no processo de definição de políticas.

O sucesso militar e político da bomba atómica e as perspetivas económicas da energia nuclear conferiram visibilidade e poder à comunidade científica em todo o lado. O Reino Unido, a Rússia e a França precisavam de cientistas para construir os seus próprios arsenais nucleares. Nos EUA, os físicos obtiveram grande apoio financeiro e foram capazes de ganhar, apesar dos desejos do establishment militar, a responsabilidade pelo controlo do desenvolvimento da energia nuclear. Nos EUA, a política de energia nuclear foi delegada na Comissão de Energia Atómica, um órgão sob controlo civil.