I juli 1939 övertygade Szilard ekonomen Alexander Sachs om att det behövdes ett kraftfullt amerikanskt initiativ för fissionens militära tillämpningar, för att motverka den tyska utvecklingen. Szilard bad Einstein att skriva ett brev till president Roosevelt där han beskrev fissionens faror och möjligheter.

Med bidrag från Edward Teller och Eugene Wigner sammanställdes brevet den 2 augusti 1939. Sachs överlämnade brevet och ett tekniskt dokument från Szilard till Roosevelt den 11 oktober 1939, och presidenten tillsatte omedelbart en rådgivande kommitté för uran (Advisory Committee on Uranium, ACU) under ledning av regeringsforskaren Lyman J. Briggs.

Bilden till höger: A. Einstein och L. Szilard i augusti 1939. Nedan: det ursprungliga Einstein-Szilard-brevet.

Prioritet gavs åt Fermis försök i New York att skapa en kedjereaktion med naturligt uran och en grafitmoderator, parallellt med studier vid flera forskningslaboratorier av hur isotopen ²³⁵U kunde separeras. I Berkeley upptäcktes grundämne 94 (plutonium) av Glenn Seaborg i februari 1941, och dess fissionsegenskaper studerades av honom själv och Emilio Segrè. Att använda det som alternativ till ²³⁵U blev ett viktigt alternativ.

I juni 1941 övertygade Vannevar Bush Roosevelt om att vetenskapsmännen måste delta i försvarsarbetet och i utvecklingen av nya vapen. Office of Scientific Research and Development (OSRD) inrättas och rapporterar direkt till presidenten. ACU ställs under OSRD:s kontroll med det nya namnet ’Section S-1’. Man rekommenderar att industrin engageras i produktionen av pilotanläggningar, och en striktare politisk kontroll av forskningen införs.

Bilden ovan: De vetenskapliga ledarna för S-1-projektet: Ernest O. Lawrence, Arthur H. Compton, Vannevar Bush, James B. Conant, Karl T. Compton, Alfred L. Loomis (Berkeley, 29 mars 1940).

Den 9 oktober 1941 lägger V. Bush fram MAUD-rapporten, som britterna hade ställt till förfogande, för Roosevelt och vicepresident Henry A. Wallace. Roosevelt ger Bush full befogenhet att undersöka om en bomb kunde byggas och till vilket pris, med den nödvändiga finansieringen från en särskild presidentkälla. Projektet skulle hållas strikt hemligt, och detaljerna i samarbetet med Storbritannien skulle fastställas noggrant. Denna händelse fick avgörande betydelse för själva framställningen av bomben.

Samarbetet hade sina svårigheter, som berodde på vilken part som vid ett visst tillfälle tycktes ligga längst fram i kärnforskningen. År 1941 begränsade britterna informationen till amerikanerna, och 1942 vägrade amerikanerna att ta med ett brittiskt team i sitt program. Problemen förvärrades av att franska vetenskapsmän deltog i det brittiska projektet och av patentpolitiken. I januari 1943 bröts kommunikationen helt. Samarbetet återupptogs genom Quebecavtalet den 17 augusti 1943 mellan Kanada, Storbritannien och USA. Storbritannien avbröt sitt eget bombprojekt och dess vetenskapsmän anslöt sig till det amerikanska teamet; fritt informationsutbyte garanterades, och varje part fick vetorätt över användningen av bomben.

Efter att USA gått in i kriget i december 1941 fick det amerikanska kärnvapenprogrammet resurser på högsta nivå, utan några budgetbegränsningar.

Arthur Compton i Chicago fick ansvaret för att åstadkomma en kedjereaktion för produktion av plutonium, Ernest Lawrence i Berkeley för elektromagnetisk isotopseparation av ²³⁵U med specialkonstruerade cyklotroner och Harold Urey för isotopseparation med centrifuger och gasdiffusion.

General Leslie Groves utses i september 1942 till militär chef för projektet, som nu kallas ’Manhattan Engineering District’ (MED). Han ger omedelbart högsta prioritet åt att säkra de nödvändiga materialen och väljer ut ett område på omkring 230 kvadratkilometer i Tennessee (Oak Ridge) där laboratorierna för produktion av de fissila materialen ska byggas.

Bilden till höger: Karta över Oak Ridge-komplexet, som byggdes för produktion av fissila material. Inom några månader byggdes i detta landsbygdsområde, förutom enorma laboratorier, en stad med 13000 invånare och ett asfalterat vägnät på 500km. Under det följande året nådde staden 42000 invånare.

Enrico Fermis experiment med staplar av naturligt uran och grafit av högre kvalitet gjorde honom säker på att han kunde åstadkomma en självunderhållande kedjereaktion. Den 16 november 1942 började han bygga en demonstrationsstapel (CP1) i Chicago, med Wigner som hjälp med de teoretiska beräkningarna.

Den första självunderhållande kedjereaktionen uppnåddes den 2 december 1942. Det bekräftade att man kunde använda fission för att producera energi och skapade en källa till plutonium för bomben.

CP1 monterades omedelbart ner, och materialen togs till vara för en större stapel, CP2, i det nya laboratoriet i Argonneskogen nära Chicago.

Bilden till vänster: Västra läktaren på Chicagouniversitetets Stagg Stadium, under vilken CP1 byggdes.

Man arbetade med två metoder för uranseparation.

Metoden med elektromagnetisk separation bygger på principen att laddade föremål avböjs när de rör sig i ett magnetfält. Tyngre joner avböjs mindre än lättare joner. Uppsamlare som placeras rätt kan utnyttja denna separation.

Metoden med diffusion bygger på att de lättare molekylerna i en gas har en högre medelhastighet än de tyngre molekylerna. En komprimerad gas av en uranförening får diffundera genom en porös barriär: de något lättare ²³⁵U-molekylerna har större chans att ta sig igenom hålen (en bråkdel av en mikrometer i diameter). Den gas som kommer ut, och som är något anrikad på den önskade isotopen (3 promille), komprimeras sedan igen, och processen upprepas. I anläggningen i Oak Ridge uppgick separationsbarriärens totala yta 1945 till tusentals kvadratmeter, och där producerades uran anrikat till upp till 10 %.

Bilden uppe till höger: Schematiskt diagram över gasflödet i en diffusionskaskad.

För själva konstruktionen av bomben beslutade J. Robert Oppenheimer, MED:s vetenskaplige ledare, att samla alla nödvändiga vetenskapsmän och tekniska experter i ett nytt hemligt laboratorium, som byggdes i Los Alamos, en avskild platå i New Mexico, under vintern 1942-1943. I mars 1943 började laboratoriet, under University of Californias ansvar, med grundforskning för att framställa ”ett praktiskt användbart militärt vapen”. Flera forskningsapparater flyttades dit från hela USA: Harvardcyklotronen, två Van de Graaff-acceleratorer från Wisconsin, en Cockcroft-Walton-accelerator från Illinois osv. Befolkningen i Los Alamos fördubblades var 9:e månad och nådde över 5000 år 1945.

Trots de militära begränsningarna lyckades Oppenheimer behålla stilen från en vetenskaplig institution och göra forskningsarbetet givande. Livet där var hårt men spännande, och kontakten med erfarna vetenskapsmän gjorde att unga fysiker kunde skaffa sig viktiga färdigheter.

Vägen till plutonium börjar med att man låter ²³⁸U absorbera en neutron i en kärnreaktor som arbetar med långsamma neutroner. Efter prototypstaplarna CP1 och CP2 byggde industriföretag tre stora reaktorer i ett nytt hemligt center i Hanford (Washington) och en i Oak Ridge.

I Los Alamos inleddes forskningen om det nya materialets kemiska, fysikaliska och metallurgiska egenskaper så snart plutonium levererades, först i grammängder och från våren 1945 i betydande mängder, tillräckligt för att tillverka tre bomber.

Den 3 juli 1945 färdigställdes i Los Alamos ²³⁵U-bomben, kallad ”Little Boy”. Det fissila materialet var anrikat till 86 % för 3 kritiska massor på vardera omkring 60kg. Detonationen byggde på kanonmetoden och använde ett kanonrör som var 180cm långt och vägde 453kg.

Little Boy var omkring 3m lång med en diameter på 70cm, tillräckligt liten för att få plats i bombutrymmet på ett B-29-bombplan, och hade en total vikt på omkring 4000kg. Vetenskapsmännen hade fullt förtroende för att den skulle fungera, och man ansåg inte att några förberedande prov var nödvändiga.

Plutoniumbomben ”Fat Man” hade en plutoniumkärna som vägde omkring 6,1kg och krävde en detonation baserad på implosionsmetoden för att undvika förtida detonation, med omkring 2300kg högexplosivt sprängämne. Kärnan, uranhöljet och sprängämnet hölls på plats av en metallsfär som bestod av tolv femkantiga sektioner. Vapnet hade stabiliseringsfenor och ett skyddande, äggformat yttre skal med en diameter på 150cm. ”Fat Man” var omkring 365cm lång och vägde omkring 4900kg.

Bilden: Fat Man-bomben förbereds på Tinian i Marianerna för att fällas över Nagasaki.

Implosionsmetoden var helt ny, och de preliminära delproven gav ingen fullständig säkerhet.

När det fanns tillräckligt med plutonium genomfördes därför ett slutligt prov av den kompletta bomben vid Alamogordo i New Mexicos öken, på en plats som kallades Trinity, i mitten av juli 1945.

Vapnets verkningsgrad var 17 % med en sprängverkan på 22kt. Provet gjorde det också möjligt att kontrollera flera tekniska detaljer, men huvudsyftet var att direkt uppleva effekterna av en kärnexplosion.

Inget av vittnena till den första kärnexplosionen var förberett på den verkliga händelsen: från den första ljusblixten och det första ljudlösa eldklotet, från ljuspulsens tysta hetta, som samtidiga hårda örfilar på båda kinderna, till tryckvågen som rusade fram över ökenmarken och till skyn av skräp som bildade den olycksbådande svampformen.

Bilden till höger: Det första eldklotet från den allra första kärnexplosionen på jorden, 16 juli 1945.

Förloppet vid en kärnexplosion och dess effekter beror, förutom på sprängverkan, på typen av explosion, dvs. i luften, på hög höjd, på markytan, under vatten eller under jord, och på de aktuella väderförhållandena och terrängens beskaffenhet.

De viktigaste fenomenen är dock desamma. Den stora energi som bildas under explosionens korta varaktighet värmer upp materialen till temperaturer på flera tiotals miljoner grader, och tryck på miljontals gånger atmosfärstrycket uppnås. Stora mängder energi strålas ut, främst som röntgenstrålning, som absorberas av luften, vilket leder till att en extremt het och glödande luftmassa bildas. Detta eldklot växer och stiger samtidigt som temperaturen sjunker. Efter en minut upphör ljusutsändningen, och molnet har stigit till omkring 7km höjd.

Bildserien till vänster visar de första 4 sekunderna av eldklotets utveckling under Trinityprovet.

I början av 1945 stod det klart att de allierade höll på att vinna kriget både i Europa och i Stilla havet. Flera vetenskapsmän började diskutera kärnkraftens sociala och politiska konsekvenser och följderna av att faktiskt använda bomben. I juni 1945 föreslog James Francks rapport att man skulle varna Japan och demonstrera bombens kraft i ett obebott område, med tanke på dess förödande verkningar. En vetenskaplig panel bestående av Compton, Fermi, Lawrence och Oppenheimer tillsattes för att ge råd till Interim Committee och redovisade vetenskapsmännens synpunkter.

Efter att alla de allierade hade rådfrågats ansågs dock en direkt militär användning av vapnet nödvändig, även om man för framtiden tänkte sig ett öppet internationellt samarbete om utvecklingen av civil kärnkraft.

På morgonen den 6 augusti 1945 kl. 8.15 fälldes Little Boy över Hiroshima och exploderade 580m över staden med en sprängverkan på mellan 12kt och 15kt. Den 9 augusti 1945 kl. 11.02 exploderade Fat Man 503m över Nagasaki; dess sprängverkan var större än 22kt. De två städerna förstördes, med mer än hundra tusen döda och hundra tusen skadade. Japan kapitulerade och andra världskriget tog slut. Det slutliga beslutet att fälla bomben var både militärt motiverat, för att undvika stora förluster av människoliv vid en invasion av Japan, och politiskt, för att avsluta kriget innan Sovjetunionen kunde expandera i Stillahavsområdet.

Bilden: Överste Paul W. Tibbets, Jr., vid sitt B-29-bombplan ”Enola Gay” före starten mot Hiroshima.

Efter kriget började man undersöka perspektiven för civil och militär kärnkraft. Den nye amerikanske presidenten, Harry S. Truman, tillsätter en ”Interim Committee” som ska besluta om användningen av vapnen och om hur ett framtida kärnkraftsprogram ska utformas. Bland de beslut som skulle fattas var om man skulle gå vidare med internationellt samarbete eller föra en politik med amerikanskt monopol.

Men andra världskriget var en vändpunkt i förhållandet mellan vetenskapsmän och regeringar. Vetenskapsmännen uppfann och byggde inte bara nya vapen; de verkade aktivt för dem och deltog i besluten om när och hur de skulle användas, och blev därmed fullvärdiga partner i den politiska beslutsprocessen.

Atombombens militära och politiska framgång och kärnenergins ekonomiska möjligheter gav det vetenskapliga samfundet synlighet och makt överallt. Storbritannien, Ryssland och Frankrike behövde vetenskapsmän för att bygga upp sina egna kärnvapenarsenaler. I USA fick fysikerna stort ekonomiskt stöd och lyckades, mot det militära etablissemangets önskan, vinna ansvaret för att kontrollera utvecklingen av kärnenergin. I USA delegerades kärnkraftspolitiken till Atomic Energy Commission, ett organ under civil kontroll.