W lipcu 1939 r. Szilard przekonał ekonomistę, Aleksandra Sachsa, o konieczności podjęcia silnej inicjatywy amerykańskiej w sprawie militarnego zastosowania rozszczepienia, aby przeciwstawić się rozwojowi Niemiec. Szilard poprosił Einsteina o napisanie listu do Prezydenta Roosevelta, wskazując na niebezpieczeństwa i możliwości wykorzystania reakcji rozszczepienia.
Przy udziale Edwarda Tellera i Eugene'a Wignera przygotowano list 2 sierpnia 1939 r. Sachs przedstawił Roosweltowi list i dokument techniczny Szilarda w październiku 1939 r., w wyniku czego Prezydent niezwłocznie utworzył Komitet Doradczy ds. Uranu (ACU od ang. Advisory Committee on Uranium) pod kierunkiem uczonego, Lymana J. Briggsa.
Na zdjęciu po prawej: A. Einstein i L. Szilard w sierpniu 1939 r. Poniżej: oryginał listu Einsteina- Szilarda.
Priorytet został nadany wysiłkom Fermiego w Nowym Jorku, skierowanym na uzyskanie reakcji łańcuchowej na naturalnym uranie z moderatorem grafitowym, a także badaniom nad wyizolowaniem izotopu 235U, prowadzonym w kilku laboratoriach badawczych. W Berkeley, w lutym 1941 r. Glenn Seaborg odkrył pierwiastek z Z = 94 (pluton) i wraz z Emilio Segrè badał następnie własności tego pierwiastka z punktu widzenia reakcji rozszczepienia. Wykorzystanie plutonu jako rozwiązania alternatywnego do 235U stało się ważną opcją.
W czerwcu 1941 r. Vannevar Bush przekonał Roosevelta do konieczności udziału uczonych w działaniach obronnych i rozwoju nowych rodzajów broni. Utworzono Urząd Badań Naukowych i Rozwoju (OSRD - od ang. Office of Scientific Research and Development), podlegający bezpośrednio Prezydentowi. ACU poddano bezpośredniej kontroli OSRD pod nową nazwą "Sekcji S-1". Zasugerowano zaangażowanie przemysłu w produkcję pilotażowych stacji a całość badań poddano surowej kontroli politycznej.
Obraz powyżej: Kierownicy naukowi projektu S-1: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannebar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 Marca, 1940 r.).9 października 1941 r. V.Bush przedstawił Rooseveltowi oraz Wice-prezydentowi Henry'emu A.Wallace'owi raport MAUD, udostępniony przez Brytyjczyków. Roosevelt dał Bushowi wszelkie uprawnienia do zbadania możliwości zbudowania bomby i kosztów tego przedsięwzięcia oraz zapewnił mu konieczne finansowanie ze specjalnego źródła prezydenckiego. Należało zachować ścisły status tajności, a szczegóły współpracy z UK należało precyzyjnie zdefiniować. Dla stworzenia bomby było to zdarzenie pierwszorzędnej wagi.
Współpraca miała swoje trudności wywoływane przez stronę, która w danej chwili wydawała się bardziej zaawansowaną w badaniach jądrowych. W roku 1941 Brytyjczycy ograniczyli informację przekazywaną Amerykanom, a w 1942 r. odmówiły zespołowi z UK uczestnictwa w programie. Trudności były potęgowane przez obecność uczonych francuskich w projekcie brytyjskim oraz przez politykę patentową. W styczniu 1943 r. całkowicie odcięto wymianę informacji. Współpraca została odnowiona 17 sierpnia 1943 r. w Quebecku, gdzie podpisano trójstronne porozumienie pomiędzy Kanadą, UK i USA. UK przerwało swój projekt budowy bomby a uczeni zostali włączeni do zespołu amerykańskiego, zapewniono swobodną wymianę informacji, a każda ze stron mogła zgłosić veto dotyczące użycia bomby.
Po włączeniu się USA do wojny w grudniu 1941 r. amerykański program nuklearny otrzymał największy poziom pozyskiwania środków, bez żadnych ograniczeń budżetowych.
Arthur Compton w Chicago odpowiadał za uzyskanie reakcji łańcuchowej dla produkcji plutonu, Ernest Lawrence w Berkeley za elektromagnetyczną separację izotopu 235U w specjalnie do tego celu skonstruowanych cyklotronach, a Harold Urey za separację izotopową przy wykorzystaniu wirówek i dyfuzji gazowej.
Generał Leslie Groves został powołany we wrześniu 1942 r. na stanowisko wojskowego kierownika projektu, zwanego wtedy projektem "Rejonu Inżynierskiego Manhattan". Ta nazwa, w oryginale "Manhattan Engineering District" (MED), to nazwa kodowa zmieniona później na "Projekt Manhattan". Od początku przyznano projektowi największy priorytet w zabezpieczaniu materiałów i wyborze w Tennessee (Oak Ridge) obszaru o powierzchni około 230 kilometrów kwadratowych, na którym należało zbudować laboratoria przeznaczone do produkcji materiałów rozszczepialnych.
Na zdjęciu po prawej stronie: Mapa kompleksu Oak Ridge do produkcji materiałów rozszczepialnych. W ciągu kilku miesięcy ta wiejska kraina zobaczyła konstrukcję - oprócz ogromnych laboratoriów - miasta z 13 tysiącami mieszkańców i położonymi drogami o długości 500 km. W ciągu następnego roku liczba mieszkańców osiągnęła 42 tysiące.Eksperymenty Enrico Fermiego ze stosami z naturalnego uranu i grafitu upewniły go w możliwości uzyskania samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej. 16 listopada 1942 r. Fermi rozpoczął konstruowanie stosu demonstracyjnego (CP1) w Chicago, wspólnie z Wignerem, który prowadził obliczenia teoretyczne.
Pierwszą samopodtrzymującą reakcję łańcuchową uzyskano 2 grudnia 1942 roku, potwierdzając w ten sposób wykorzystanie rozszczepienia jądra do produkcji energii i tworzenia plutonu potrzebnego do zbudowania bomby.
CP1 zostaje szybko zdemontowany a użyte w nim materiały posłużyły do stworzenia większego stosu atomowego CP2 w nowym laboratorium w lasach Argonne koło Chicago.
Fotografia z lewej:: Zachodnia trybuna stadionu uniwersytetu chicagowskiego, pod którą zbudowano CP1Metoda separacji elektromagnetycznej opiera się o zasadę, że obiekty naładowane zmieniają w polu magnetycznym swój kierunek ruchu. Cięższe jony będą odchylane w mniejszym stopniu niż lżejsze. Właściwie umiejscowione kolektory mogą wykorzystać taką separację.
Metoda dyfuzji opiera się na fakcie, że lżejsze cząsteczki gazu będą miały wyższą prędkość średnią niż cząsteczki cięższe. Sprężony gaz związku uranowego dyfunduje przez porowatą barierę (membranę): nieco lżejsze cząsteczki gazu z 235U mają większą szansę przejścia przez otwory (o średnicy ułamka mikrometra). W tej sytuacji wychodzący gaz, lekko wzbogacony w potrzebny izotop (3 części na 1000) jest ponownie sprężany i cały proces zostaje powtórzony. W zakładzie w Oak Ridge w roku 1945 całkowita powierzchnia bariery do separacji osiągnęła tysiące metrów kwadratowych i pozwalała na produkcję uranu o wzbogaceniu do 10%.
Zdjęcie wyżej po prawej stronie: Schematyczny diagram przepływu gazu w kaskadzie dyfuzyjnej.Aby stworzyć bombę, J.Robert Oppenheimer, dyrektor naukowy MED, zdecydował się podczas zimy 1942-1943 na zebranie wszystkich niezbędnych dla projektu uczonych i ekspertów technicznych w nowym utajnionym laboratorium, które zostało zbudowane w Los Alamos (New Mexico). W marcu 1943 r. laboratorium działające w ramach Uniwersytetu Kalifornijskiego rozpoczęło podstawowe badania w celu wyprodukowania "praktycznej broni wojskowej". Kilka urządzeń badawczych ściągnięto z terytorium USA: cyklotron z Harvardu, dwa akceleratory Van de Graaffa z Wisconsin, akcelerator Cockrofta-Waltona z Illinois itd. Populacja mieszkańców Los Alamos podwajała się co 9 miesięcy i osiągnęła 5000 w roku 1945.
Oppenheimerowi, niezależnie od ograniczeń wojskowych, udało się utrzymać styl placówki naukowej i uczynić korzystną jej pracę badawczą. Życie tam było ciężkie ale podniecające, a kontakt z doświadczonymi uczonymi pozwalał młodym fizykom zdobywać ważne umiejętności.
Droga do produkcji plutonu zaczyna się od zaabsorbowania neutronu przez izotop 238U w reaktorze na powolnych neutronach. Po prototypowych stosach CP1 i CP2 zakłady przemysłowe zbudowały trzy reaktory w nowym, tajnym centrum w Hanford (Washington) i jeden w Oak Ridge.
Badania własności chemicznych, fizycznych i metalurgicznych nowego materiału były prowadzone w Los Alamos od razu po otrzymaniu plutonu, wpierw w ilości gramowej i, począwszy od wiosny 1945, w znaczących ilościach, wystarczających do wyprodukowania trzech bomb.3 lipca 1945 r. zakończono w Los Alamos budowę bomby 235U, nazwanej “Little Boy” (mały chłopiec). Materiał rozszczepialny został wzbogacony do 86% w trzech masach krytycznych ok. 60 kg każda. Ich detonację oparto na technice strzelniczej, używając lufy długiej na 180cm i masie 435kg.
Little Boy miał długość ok. 3 m i średnicę 70 cm - wystarczająco małą, aby zmieścić bombę do luku bombowego w bombowcu B-29 i miał całkowitą masę ok. 4000kg. Uczeni nie mieli wątpliwości, że bomba zadziała, więc nie przeprowadzono żadnych wstępnych testów.Bomba plutonowa "Fat Man" (grubas) miała rdzeń z plutonu o masie około 6,1kg. Jej detonacja wymagała techniki implozji aby uniknąć przedwczesnej detonacji przy użyciu około 2300kg wysoce wybuchowego materiału. Rdzeń, reflektor uranowy i materiał wybuchowy były zawarte w kuli metalowej wykonanej z dwunastu sekcji pentagonalnych. Bomba miała stabilizator ruchu i osłonną skorupę o kształcie jajka, o średnicy 150 cm. "Fat Man" miał długość 365 cm i masę około 4900kg.
Zdjęcie: Bomba Fat Man przygotowywana na wyspie Tinian w Marianach Północnych z celem wysłania jej do Nagasaki.Technika implozyjna była czymś całkiem nowym a wstępne, częściowe testy nie pozwalały na pełne zaufanie do tej techniki.
Z tego względu, gdy można było dysponować wystarczającą ilością plutonu, przeprowadzono w środku lipca 1945 r. końcowy test skompletowanej bomby na pustyni Alamogordo w Nowym Meksyku, w miejscu zwanym Trinity.
Wydajność broni wyniosła 17% a moc wybuchu 22kt TNT. Test pozwolił także na sprawdzenie kilku problemów technicznych, jednak głównym celem było bezpośrednie doświadczenie efektów wybuchu jądrowego.Żaden ze świadków pierwszego wybuchu jądrowego nie był przygotowany na to, co zobaczył: od początkowego błysku i kuli ogniowej, której nie towarzyszył żaden hałas, lekkiego impulsu cichego ciepła jak jednoczesne ciężkie chlaśnięcie obu policzków, do fali uderzeniowej biegnącej wzdłuż powierzchni pustynnej i chmury odłamków tworzących złowieszczy kształt grzyba.
Zdjęcie po prawej stronie: Początkowa kula ognista w przeprowadzonym po raz pierwszy wybuchu jądrowego na Ziemi, 16 czerwca, 1945 r.Zasadnicze zjawiska pozostają jednak niezmienione. Duża energia wyzwalana w krótkim czasie wybuchu ogrzewa materiały do temperatur wynoszących dziesiątki milionów stopni i ciśnień miliony razy przewyższających ciśnienie atmosferyczne. Duża ilość energii zostaje wypromieniowywana głównie w postaci promieniowania rentgenowskiego, które zostaje zaabsorbowane w atmosferze, co prowadzi do tworzenia się nadzwyczaj gorącej i rozżarzonej masy powietrza. Ta kula ogniowa rośnie i podnosi się, zmniejszając swą temperaturę. Po minucie emisja światła zamiera a wysokość chmury sięga około 7 km.
Sekwencja zdjęć po lewej stronie pokazuje pierwsze 4 sekundy ewolucji kuli ogniowej z wybuchu podczas testu Trinity.Wczesnym rokiem 1945. było oczywistą rzeczą, że alianci wygrywaja wojnę zarówno w Europie jak i na Pacyfiku. Kilku uczonych podjeło dyskusję na temat społecznych i politycznych implikacji energii jądrowej oraz konsekwencji użycia bomby. Raport Jamesa Franka z czerwca 1945 roku sugerował, aby ostrzec Japonię i zademonstrować moc bomby w jakimś niezamieszkałym terenie, ukazując jej dewastujące skutki. Panel naukowy zorganizowany przez Comptona, Fermiego, Lawrence'a i Oppenheimera miał posłużyć Komitetowi Tymczasowemu i przekazaniu informacji uczonym.
6 sierpnia rano 1945 r. o 8:15, Little Boy został zrzucony na Hiroshimę, eksplodując 580m ponad miastem z mocą między 12 kt a 15 kt TNT. 9 sierpnia 1945 o 11:02 bomba Fat Man eksplodowała 503m nad Nagasaki; jej moc była większa niż 22kt TNT. Zburzone zostały oba miasta, ponad sto tysięcy zostało zabitych i sto tysięcy zostało rannych. Japonia poddała się i II Wojna Światowa się skończyła. Ostateczna decyzja o zrzuceniu bomb była decyzją militarną, aby uniknąć wielkich strat ludzi gdyby nastąpiła inwazja na Japonię, a także polityczną, aby wojna skończyła się nim Związek Radziecki mógłby rozprzestrzenić się na rejon Pacyfiku.
Zdjęcie: Płk. Paul W. Tibbets, Jr. w swoim samolocie “Enola Gay” - bombowcu B-52 - przed startem do Hiroszimy.Perspektywy cywilnej i wojskowej energii jądrowej zaczęto szczegółowo rozpatrywać po wojnie. Nowy Prezydent USA, Harry S. Truman, tworzy "Komitet Tymczasowy", który ma zdecydować o użyciu broni jądrowej i kształcie przyszłego programu jądrowego. Pomiędzy decyzjami, które należy podjąć, znajduje się kwestia kontynuacji międzynarodowej współpracy albo prowadzenia polityki monopolistycznej Ameryki.
II Wojna Światowa była jednak punktem zwrotnym w stosunkach między uczonymi i rządami. Uczeni nie tylko wymyślili i zbudowali broń jądrową, oni też aktywnie ją promowali i partycypowali w decyzjach kiedy i jak ją wykorzystać, stając się w ten sposób pełnymi partnerami w podejmowaniu decyzji politycznych.
Wojskowy i polityczny sukces bomby jądrowej i ekonomiczne możliwości energii jądrowej spowodowały otwartość i wniosły energię do całej międzynarodowej społeczności uczonych. UK, Francja i Rosja potrzebowały uczonych aby budować własne arsenały broni jądrowej. W USA fizycy otrzymali silne wsparcie finansowe i byli w stanie zdobyć, w odróżnieniu od życzeń władz wojskowych, odpowiedzialność za sterowanie rozwojem energii jądrowej. Polityka dotycząca energii nuklearnej w USA została poddana Komisji Energii Atomowej - ciału znajdującemu się pod kontrolą cywilną.