În iulie 1939 Szilard l-a convins pe economistul Alexander Sachs de necesitatea unei inițiative puternice din partea Americii în ceea ce privește aplicațiile fisiunii, pentru a putea contracara dezvoltările Germaniei. Szilard l-a rugat pe Einstein să-i scrie președintelui Roosevelt și să evidențieze pericolele și oportunitățile fisiunii.
Cu contribuția lui Edward Teller și a lui Eugene Wigner, scrisoarea a fost redactată în data de 2 august 1939. Sachs a prezentat scrisoarea împreună cu un document tehnic de la Szilard către Roosevelt în data de 11 octombrie 1939 și președintele a creat imediat un Comitet de Consultanță pentru Uraniu, sub conducerea omului de știință Lyman J. Briggs, membru al guvernului.
Imagine dreapta: A Einstein și L. Szilard în august 1939. Dedesubt: scrisoarea originală Einstein-Szilard
S-au prioritizat eforturile lui Fermi în New York de a produce o reacție în lanț cu Uraniu natural și cu moderator de grafit, împreună cu studiile din diverse laboratoare pentru separarea izotopului 235U. Elementul 94 (plutoniu) a fost descoperit la Berkeley de către Glenn Seaborg în februarie 1941, iar proprietățile sale fisile au fost studiate de către Seaborg împreună cu Emilio Segre. Folosirea plutoniului că alternativă la 235U devenise o opțiune importantă.
În iunie 1941 Vannevar Bush l-a convins pe Roosevelt de necesitatea participării oamenilor de știință în programele de apărare și la dezvoltarea de noi arme. Oficiul pentru Cercetare Științifică și Dezvoltare (OSRD) este creat, organizație de avea să raporteze direct președintelui. ACU este pusă sub controlul OSRD sub noul nume de “Secțiunea S-1”. Implicarea industriei în producerea de centrale pilot este recomandată și un control politic mai strict al cercetării este aplicat.
Imaginea de sus: Liderii științifici ai proiectului S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannebar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 martie 1940).Pe 9 octombrie 1941 V. Bush prezintă raportul MAUD, pus la dispoziție de către Britanici, lui Roosevelt și vicepreședintelui Henry A. Wallace. Roosevelt îi dă lui Bush autoritate deplină pentru a investiga dacă o bombă poate fi construită și la ce preț, cu finanțarea necesară dintr-o sursă prezidențială specială. Statutul de “strict secret” trebuia păstrat iar detaliile colaborării cu Regatul Unit trebuiau definite într-un mod foarte precis. Aceasta era de o importanță crucială pentru fabricarea bombei.
Colaborarea avea dificultățile ei, generate de partea care părea să fie mai avansată în cercetările nucleare la un moment dat. În 1941 britanicii au limitat fluxul de informații către Americani, care în 1942 au refuzat să includă o echipa britanica în programul lor. Problemele erau combinate cu prezența unor oameni de știință francezi în proiectul britanic și cu politica patentelor. În ianuarie 1943 comunicarea a fost tăiată definitiv. Colaborarea în acea varianta a fost oprită prin tratatul trilateral de la Quebec din 17 august 1943 dintre Canada, Regatul Unit și Statele Unite. Regatul Unit își oprea proiectul pentru bombă iar oamenii de știință britanici intrau în echipa americană, schimbul liber de informații era asigurat și fiecare parte avea un drept de veto la folosirea bombei.
După ce Statele Unite au intrat în război în decembrie 1941, programul nuclear american a primit resurse la cel mai înalt nivel, fără nicio limitare de buget.
În Chicago, Arthur Compton era responsabil de realizarea reacției în lanț pentru producerea de Plutoniu, la Berkeley Ernest Lawrence era responsabil de separarea izotopică electromagnetică a 235U prin folosirea de ciclotroane special proiectate în acest scop. Harold Urey era responsabil de separarea izotopică prin centrifugare și difuzie gazoasă.
Generalul Leslie Groves este numit în septembrie 1942 șef militar al proiectului, de acum numit “Districtul Ingineresc Manhattan” (MED), și dă imediat prioritate maxima securizării materialelor necesare și selectează o arie de 230 kmp în Tennessee (Oak Ridge) pentru a construi laboratoarele dedicate producerii de material fisil.
Imagine dreapta: Harta complexului de la Oak Ridge construit pentru producerea de materiale fisile. În câteva luni această zonă rurală a văzut construcția, pe lângă enormele laboratoare, a unui oraș cu populația de 13.000 de oameni și unei rețele de drumuri pavate de 500 km. În următorul an populația orașului a ajuns la 42.000 de persoane.Experimentele lui Enrico Fermi cu uraniu natural și grafit de calitate mai bună i-au dat încredere că va reuși o reacție în lanț autosusținută. Pe 6 noiembrie 1942 el a început să construiască un reactor demonstrativ (CP1) cu ajutorul lui Wigner pentru calculele teoretice.
CP1 este demontat imediat și materialele sunt recuperate pentru construirea unuia mai mare, CP2, în noul laborator din pădurea Argonne lângă Chicago.
Imagine stânga: tribuna vest a stadionului Stagg al Universității din Chicago, sub care CP1 a fost construit.Separarea electromagnetică este bazată pe principiul că obiectele încărcate sunt accelerate când se mișcă într-un câmp electromagnetic. Ionii mai grei vor fi deviați mai puțin decât ionii mai ușori. Colectorii adecvat plasați pot folosi această separare.
The diffusion method is based on the fact that the lighter molecules in a gas will have a higher average velocity than the heavier molecules. A compressed gas of a uranium compound is allowed to diffuse through a porous barrier: the slightly lighter 235U molecules have a higher chance to escape through holes (a fraction of a micron in diameter). Then the emerging gas, slightly enriched with the desired isotope (3 parts per 1000) is re-compressed and the process is repeated. La stația Oak Ridge în 1945, suprafața totală pentru separare atingea mii de metri pătrați și se producea uraniu îmbogățit până la 10%.
Imaginea din dreapta sus: diagrama schematică a curgerii gazului într-o cascadă de difuziePentru proiectarea bombei, J. Robert Oppenheimer, directorul științific al MED, a decis să strângă toți oamenii de știință și experții necesari într-un nou laborator secret, care a fost construit la Los Alamos (New Mexico), în iarna 1942-1943. În martie 1943 laboratorul, care se afla sub responsabilitatea Universității din California, a început cercetări de bază pentru a produce “o armă militară practică”. Mai multe instrumente de cercetare au fost transferate din teritoriul SUA: ciclotronul de la Harvard, două acceleratoare Van der Graaf de la Wisconsin, un accelerator Cockroft-Walton din Illinois, etc. Populația de la Los Alamos se dubla la fiecare 9 luni, pentru a atinge 5000 de persoane în 1945.
Oppenheimer, nefiind adeptul constrângerilor militare, a reușit să păstreze stilul unei instituții științifice și să facă munca de cercetare încântătoare. Viața de acolo era dură dar incitantă, iar contactul tinerilor fizicieni cu oamenii de știință cu experiență le permitea să dobândească abilități vitale.
Drumul către Plutoniu începe prin permiterea 238U să absoarbă un neutron într-un reactor nuclear ce funcționează cu neutroni lenți. După prototipurile CP1 și CP2, companiile industriale au construit 3 mari reactori într-un nou centru secret de la Hanford (Washington) și unul la Oak Ridge.
La Los Alamos, cercetările despre proprietățile chimice, fizice și metalurgice ale noului material au început imediat ce Plutoniul a fost livrat, la început în cantități de ordinul gramului, iar din primăvara lui 1945, în cantități substanțiale, îndeajuns pentru a produce trei bombe.Bomba cu 235U, numită “Little Boy” (băiețel), a fost gata la Los Alamos pe 3 iulie 1945. Materialul fisil era îmbogățit până la 86% pentru 3 mase critice, fiecare de aproximativ 60 kg. Detonarea să era bazată pe tehnica tunului, folosind un tun de 180 cm lungime și cântărind 453 kg.
Little Boy avea aproximativ 3m lungime, cu un diametru de 70 cm, destul de mică pentru a intra în spațiul prevăzut al unui bombardier B-29 și avea o greutate totală de aproximativ 4000 kg. Oamenii de știință aveau încredere deplină în funcționarea ei și niciun test preliminar nu a fost considerat că fiind necesar.Bomba cu plutoniu “Fat Man” (omul gras) avea un miez de plutoniu ce cântarea aproximativ 6.1kg și necesita a fi detonată prin tehnica imploziei, pentru a evita pre-detonarea, folosind o cantitate de 2300kg de explozibil puternic. Miezul, uraniul și explozibilii puternici erau ținuți într-un dispozitiv alcătuit din doisprezece secțiuni în formă de pentagon. Arma avea dispozitive de stabilizare și o învelitoare protectoare în formă de ou, de diametru 150cm. “Fat Man” era lungă de aproximativ 365 cm și cântarea aproximativ 4900 kg.
Imagine: Bomba Fat Man în timp ce era pregătită pentru livrarea la Nagasaki.Tehnica imploziei era complet nouă și testele parțiale preliminare nu au dat încredere bazată pe evidență certă.
Așadar, precum plutoniul disponibil era suficient, un test final al bombei complete a fost făcut la Alamogordo, în desertul New Mexico, pe un sit numit Trinity, la jumătatea lui iulie 1945.
Eficacitatea armei a fost de 17%, cu o putere de 22kt. Testul a permis de asemenea verificarea mai multor detalii tehnice, dar obiectivul principal era să se experimenteze în mod direct efectele unei explozii nucleare.Niciunul din martorii primei explozii nucleare nu erau de fapt pregătiți pentru eveniment: de la flashul inițial și mingea de foc de început fără niciun zgomot, de la căldura tăcută a pulsului de lumina, precum palme grele simultane pe ambii obraji, la unda de șoc ce alerga prin solul desertului și la norul de schije ce genera forma de ciupercă.
Imagine dreapta: Mingea de foc inițială de la prima explozie nucleară de pe Pământ, 16 iulie 1945.Totuși, fenomenele principale rămân neschimbate. Energia enormă produsă în scurtul timp al exploziei încălzește materialele la temperaturi de zeci de milioane de grade și presiuni de ordinul milionului de atmosfere. Mari cantități de energie sunt radiate, în principal de natură electromagnetică, ce sunt absorbite de aer, ducând la formarea unei mase de aer extrem de calde și de incandescente. Această minge de foc crește în mărime și se înalță, micșorându-și temperatura. După aproximativ un minut, emisia de lumina încetează, iar norul se ridică la aproximativ 7 km.
Succesiunea de fotografii de a stânga arată primele 4 secunde din evoluția mingii de foc de la explozia aferentă testului Trinity.La începutul lui 1945 devenise clar că Aliații aveau să câștige războiul și în Europa și în Pacific. Multi oameni de știință au început să discute despre implicările sociale și politice ale puterii nucleare și despre consecințele folosirii bombei. În iunie 1945, raportul lui James Frank sugera că Japonia să fie prevenită și să se demonstreze puterea bombei într-o zona nelocuita pentru a arata efectele ei devastatoare. Un cerc științific, compus din Compton, Fermi, Lawrence și Oppenheimer, a fost creat pentru a sfătui Comitetul Interimar și a raportat punctele de vedere ale oamenilor de știință.
În dimineața zilei de 6 august 1945 la ora 08:15, Little Boy era aruncată peste Hiroshima, explodând la 580m deasupra orașului, cu o putere între 12 și 15kt. Pe 9 august 1945, la ora 11:02, Fat Man exploda la 503m deasupra orașului Nagasaki; puterea ei era de peste 22kt. Cele două orașe erau distruse, cu peste o sută de mii de oameni morți și o sută de mii de răniți. Japonia s-a predat și războiul al doilea a ajuns la sfârșit. Decizia finală de a arunca bomba a fost motivată atât militar, pentru a evita pierderi enorme de vieți la invadarea Japoniei, cât și politic, pentru a termina războiul înainte că Uniunea Sovietică să se extindă în zona Pacificului.
Imagine: Col. Paul W. Tibbets Jr. în bombardierul sau B52 “Enola Gay” înainte decolării către Hiroshima.După Război, perspectivele civile și militare ale energiei nucleare începeau a fi examinate. Noul președinte american, Harry S. Truman, a creat un “Comitet Interimar” pentru a decide în ceea ce privește uzul armelor și a contura un program nuclear pentru viitor. Printre deciziile ce trebuiau luate figura cea de a alege între a începe o colaborare internațională sau a urma o politică de monopol american.
Dar al doilea război mondial a fost un punct de turnură pentru relațiile dintre oamenii de știință și guverne. Cei dintâi nu numai că au inventat și construit noi arme, dar le-au și promovat și au participat la luarea de decizii întru folosirea lor, devenind parteneri în procesul de elaborare a politicii.
Succesul militar și politic al bombei atomice și perspectivele economice ale energiei nucleare au dat vizibilitate și putere comunității științifice pretutindeni. Regatul Unit, Rusia și Franța aveau nevoie de oameni de știință pentru a construi propriile lor arsenale nucleare. În SUA, fizicienii au obținut o susținere financiară importantă și au reușit să câștige, în ciuda dorinței stabilimentelor militare, responsabilitatea pentru controlul dezvoltării energiei nucleare. În SUA, politica energiei nucleare a fost delegată Comisiei pentru Energie Atomică, o organizație sub control civil.