La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. La Seconda guerra mondiale
La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. La Seconda guerra mondiale
La Seconda guerra mondiale
La Seconda guerra mondiale vide un impiego senza precedenti della tecnologia. All'inizio i tedeschi sembravano invincibili, grazie all'utilizzo di carri armati e bombardieri per sconfiggere la Polonia, nel 1939, che gli permise di concludere con successo la loro guerra lampo nella primavera del 1940; durante l'estate sfidarono poi la Gran Bretagna, bombardandone le città e attaccando con i sottomarini le sue linee di rifornimento sull'Atlantico. Sebbene l'antisemitismo nazista avesse spinto molti scienziati ebrei a lasciare il paese, la fisica e la chimica tedesche erano ancora molto forti. Gli scienziati alleati sapevano che, alla fine del 1938, a Berlino era stata scoperta la fissione nucleare e temevano che fisici come Werner Heisenberg ‒ il quale aveva scelto di rimanere in Germania ‒ potessero cercare di costruire una bomba atomica per Adolf Hitler. Per il governo del Führer la conquista nazista dell'Europa aveva significato anche il controllo sulle ricche miniere di uranio naturale della Boemia e sull'unico impianto esistente al mondo ‒ situato in Norvegia ‒ per la fabbricazione dell'acqua pesante, un fattore essenziale per la ricerca sui reattori nucleari.
Le capacità apparentemente straordinarie della Germania nel campo della scienza e dell'ingegneria erano bilanciate dalle notevoli competenze tecniche della Gran Bretagna e degli Stati Uniti e dalle vaste risorse di questi ultimi. Le comunità scientifiche di entrambi i paesi erano state rafforzate dall'afflusso di eminenti esuli dalla Germania, tra cui un buon numero di premi Nobel per le scienze del presente e del futuro. Il più famoso di questi era Albert Einstein che, nell'autunno del 1939, richiamò l'attenzione del presidente Franklin D. Roosevelt sulla possibilità di trasformare la fissione in una fonte di energia e forse anche in un'arma dalle capacità distruttive senza precedenti. Roosevelt autorizzò, di conseguenza, un piccolo progetto di ricerca governativo sull'energia nucleare.
Gli Alleati
Un progetto di ricerca nucleare, il cui nome in codice era MAUD o Tube alloys, fu avviato anche in Gran Bretagna; nel 1940 due fisici tedeschi rifugiatisi in quel paese, Rudolf E. Peierls e Otto Robert Frisch, stabilirono che era possibile realizzare una bomba atomica. Come combustibile sarebbe stato utilizzato l'Uranio 235 (U235), l'isotopo più fissile dell'elemento, che però rappresenta meno dell'1% dell'uranio naturale e che non può essere chimicamente separato dal molto più diffuso U238. La separazione con mezzi fisici sarebbe risultata estremamente difficile e costosa e avrebbe richiesto molto tempo. La possibilità di costruire la bomba dipendeva dunque dal calcolo di quanto uranio contenente un'alta percentuale di U235 sarebbe stato necessario per raggiungere la 'massa critica'; secondo le prime stime ne sarebbero occorse diverse tonnellate. Frisch e Peierls invece calcolarono che, in realtà, la massa critica era soltanto di qualche decina di chilogrammi, una quantità che sarebbe stato possibile ottenere in tempo per costruire una bomba da utilizzare prima che finisse la guerra.
Nell'estate del 1940, durante la battaglia d'Inghilterra, gli inglesi erano riusciti a difendersi dagli attacchi aerei dei tedeschi anche con l'aiuto del radar a onda lunga, tecnologia sviluppata nel corso degli anni Trenta in connessione con il loro programma di difesa aerea. Essa sfruttava le lunghezze d'onda elettromagnetiche dell'ordine di uno o due metri e riusciva a localizzare gli aerei in avvicinamento attraverso la Manica. Allo scopo di ottenere lunghezze d'onda inferiori, i fisici John T. Randall e Henry A.H. Boot (noto come Harry), della University of Birmingham, inventarono nel 1939 il 'magnetrone' a cavità, un tubo che generava 'microonde' ‒ radiazioni la cui lunghezza d'onda era pari o inferiore a 10 cm ‒ e le produceva sfruttando un'energia mille volte superiore a quella delle più moderne valvole convenzionali. Il radar a microonde rilevava la presenza di navi e di aerei in modo molto più preciso e a maggiore distanza rispetto al radar a lungo raggio e i britannici cominciarono a costruirli nel nuovo Telecommunications Research Establishment, un apposito centro di ricerca sui radar situato sulla costa meridionale dell'Inghilterra.
A causa dei continui bombardamenti tedeschi agli impianti industriali inglesi e della necessità di destinare la maggior parte delle risorse allo sforzo bellico immediato l'avanzamento delle ricerche procedeva tuttavia tra innumerevoli difficoltà. Nell'estate del 1940 gli Stati Uniti, usciti dal loro isolazionismo, stavano cominciando ad aiutare la Gran Bretagna, che propose una collaborazione nel campo della ricerca tecnologica; una delegazione in missione segreta guidata dall'autorevole scienziato della difesa Henry T. Tizard venne inviata oltreoceano per informare le autorità americane sulle ultime scoperte della tecnologia militare britannica.
Dal punto di vista scientifico gli Stati Uniti avevano già cominciato a mobilitarsi. Gli uffici tecnici sia dell'Esercito sia della Marina disponevano di laboratori sperimentali molto ben attrezzati e i loro direttori consideravano i programmi di ricerca e sviluppo una componente indispensabile della loro missione. Entrambe le armi avevano portato a un alto livello di efficienza e di sofisticazione le apparecchiature e le macchine utilizzate nella Prima guerra mondiale, come il sonar e gli aerei, sviluppando inoltre apparecchi radar paragonabili a quelli utilizzati dagli inglesi in modo tanto efficace nella battaglia d'Inghilterra. L'Esercito e la Marina avevano tuttavia rapporti limitati con la scienza accademica civile, da una parte perché i loro bilanci erano molto rigidi e, dall'altra, perché i militari pensavano che gli esperti civili fossero poco pratici e che tendessero a trattare con eccessiva disinvoltura il problema della segretezza.
Per dare il proprio contributo alla difesa nazionale nel maggio del 1940 un piccolo gruppo di eminenti scienziati e ingegneri si riunì sotto la guida di Vannevar Bush, un ingegnere elettrico da tempo membro del corpo docente del Massachusetts Institute of Technology (MIT), da poco nominato direttore della Carnegie Institution di Washington e presidente del National Advisory Committee for Aeronautics. Convinto, come gli altri suoi colleghi scienziati, della necessità di essere preparati, Bush era consapevole delle difficoltà che essi avrebbero incontrato a persuadere il governo federale, e soprattutto i militari, a considerare la scienza civile come qualcosa di diverso da un approccio teorico e incapace di produrre tecnologie utili a scopi bellici.
Per aggirare tale ostacolo, all'inizio del giugno 1940, Bush ottenne da Roosevelt l'autorizzazione a creare il National Defense Research Committee (NDRC), che egli stesso avrebbe presieduto e che avrebbe annoverato tra i suoi membri i rettori della University of Harvard, del MIT e della National Academy of Sciences. Piuttosto che costruire nuovi impianti, l'NDRC decise di affidare le ricerche a laboratori universitari e industriali a contratto; questi, gestiti dagli scienziati, furono in grado di portare avanti programmi di ricerca che sembravano promettenti dal punto di vista militare, a prescindere dall'approvazione iniziale dell'Esercito e della Marina. Nel giugno del 1941, per facilitare la ricerca bellica, Roosevelt trasformò l'NDRC nel nuovo Office of Scientific Research and Development (OSRD) sotto la guida di Bush. L'OSRD poteva accedere direttamente agli stanziamenti decisi dal Congresso, era responsabile delle ricerche nel campo della medicina militare ed era autorizzato a sviluppare le invenzioni più promettenti realizzandone prototipi pronti per essere prodotti. L'OSRD ideò a sostegno dello sforzo bellico nuove tecnologie, dai radar più sofisticati all'affidabile e versatile DUKW, un mezzo anfibio in grado di sbarcare truppe, rifornimenti e artiglieria pesante anche in condizioni di mare mosso.
Uno dei laboratori più importanti dell'OSRD era il Radiation Laboratory del MIT, noto come Rad Lab, istituito nel 1940 e che, a distanza di cinque anni, già impiegava quattromila addetti ca., tra i quali cinquecento fisici. Il Rad Lab sviluppò una serie di potentissimi radar basati sul magnetrone a cavità, sfruttando i preziosi scambi di personale, di informazioni e di tecnologie con gli scienziati inglesi del Telecommunications Research Establishment. I radar a microonde del Rad Lab contribuirono per la prima volta in modo significativo allo sforzo bellico nel 1942, quando furono utilizzati per localizzare i sottomarini tedeschi che minacciavano i mercantili provenienti dall'America Centrale e Meridionale e diretti verso la costa orientale degli Stati Uniti.
Nella primavera del 1943 le perdite inflitte ai sottomarini nemici sulle rotte di navigazione dell'Atlantico settentrionale raggiunsero rapidamente proporzioni critiche. Gli scienziati e gli ingegneri avevano infatti modificato radicalmente e in maniera efficace la strategia utilizzata in prevalenza in quel momento ‒ basata sulle capacità difensive del convoglio ‒ introducendone una offensiva, consistente nel dare la caccia in mezzo all'oceano alle flottiglie di sottomarini tedeschi (dette wolf packs, 'branchi di lupi') impiegando gruppi di sottomarini antisommergibile, detti hunter-killer, dotati di radar a microonde. A Berlino il comandante in capo della flotta scrisse nel suo diario che le perdite di U-Boote avevano raggiunto livelli inaccettabili, a causa "del sempre maggiore utilizzo di velivoli lanciati da basi terrestri e da portaerei, combinato con la possibilità di cogliere il nemico di sorpresa grazie alla localizzazione radar sia diurna sia notturna". L'impiego di aerei dotati di radar fu possibile anche grazie al contributo degli studi di ricerca operativa. Nata in Gran Bretagna all'inizio della guerra sotto la direzione del fisico Patrick M.S. Blackett, la ricerca operativa fu portata avanti da équipe di fisici e matematici che utilizzavano l'analisi statistica e le leggi della geometria per risolvere problemi come la formazione ottimale dei bombardieri per ridurre i danni della contraerea nemica e dei caccia e lo schema di ricerca e di attacco ideale per colpire un sottomarino nascosto nell'oceano. La ricerca operativa fu ulteriormente sviluppata negli Stati Uniti, dove gli scienziati dimostrarono matematicamente che, qualunque tattica si utilizzasse, le probabilità di localizzare un sottomarino erano significativamente più alte se si impiegava un aereo dotato di radar che non un cacciatorpediniere, dimostrazione che nel 1943 produsse una radicale modificazione della strategia antisommergibile.
Nel corso del conflitto il Rad Lab e il Telecommunication Research Establishment svilupparono insieme una vasta gamma di apparecchiature, tra cui congegni radar per facilitare i bombardamenti, i combattimenti notturni dei caccia e la navigazione e il controllo da terra dei velivoli. Il radar a microonde fu anche combinato in modo efficace con i nuovi sistemi elettronici, che elaboravano le informazioni raccolte sugli aerei in avvicinamento e automaticamente puntavano i cannoni della contraerea contro di essi. Durante lo sbarco in Normandia del 1944 vennero trasmessi echi radar simulati per far credere al nemico che l'attacco sarebbe avvenuto nei pressi di Calais e furono adottati sistemi per oscurare i radar tedeschi. Più tardi, gli esperti di radar poterono affermare che, se la bomba atomica aveva messo fine alla guerra, i radar l'avevano però vinta.
I fisici svolsero un ruolo chiave anche in diversi altri progetti importanti dell'OSRD. Nell'agosto del 1940 Bush creò un'unità dell'OSRD che doveva fornire alla Marina un detonatore per le bombe tale da aumentare le probabilità di abbattere gli aerei che bombardavano dall'alto le navi. La possibilità di colpire un aereo che si spostava nel cielo alla velocità di 300 miglia all'ora risultava piuttosto ridotta; inserire detonatori a tempo (come contava di fare la Marina) così che l'ordigno scoppiasse soltanto nel momento in cui colpiva l'obiettivo era del resto altrettanto difficile. L'unità dell'OSRD ideò tuttavia una spoletta che aveva la forma di un rozzo radar in miniatura e che innescava la bomba quando si avvicinava al velivolo in attacco. Il 5 gennaio 1943 un aereo giapponese si lanciò in picchiata contro la poppa, relativamente poco protetta, dell'incrociatore Helena: i cannoni da cinque pollici della nave spararono le loro munizioni dotate di radarspolette e distrussero l'obiettivo alla seconda salva. Gli ufficiali della Marina cominciarono subito a richiederne grandi quantità, tanto che, al culmine della produzione bellica, i cinque principali impianti di fabbricazione ne realizzavano 70.000 ca. al giorno e la produzione di spolette costituiva il 25% dell'industria elettronica del paese.
Da un altro progetto dell'OSRD, portato avanti dal California Institute of Technology, nacquero i razzi a combustibile solido. Poiché il loro lancio non produceva contraccolpo, questi potevano essere montati anche su imbarcazioni o aerei di piccole dimensioni ed essere perfino trasportati dalla fanteria, che in tal modo avrebbe avuto una potenza di fuoco paragonabile a quella dei cannoni da cinque pollici delle navi da guerra. I chimici studiarono nuovi propellenti e i fisici inventarono un processo per l'estrusione a secco del combustibile solido in lamine. Nell'autunno del 1942 i missili precedettero con il loro sibilo le truppe che sbarcarono in Africa settentrionale e vennero utilizzati come artiglieria navale standard in tutti i successivi sbarchi nei teatri di guerra dell'Atlantico e del Pacifico. Alla fine della guerra, il progetto del Caltech aveva prodotto più di un milione di missili di diversi tipi e per diversi scopi.
La Prima guerra mondiale era stata definita la guerra dei chimici perché entrambi gli schieramenti avevano fatto uso di gas tossici, tra cui il fosgene e l'iprite. Durante la Seconda guerra mondiale i paesi coinvolti nel conflitto investirono notevoli risorse nello sviluppo delle armi chimiche e dei mezzi per difendersi da esse, soprattutto i filtri per le maschere a gas. Nessuna delle due controparti fece però uso del proprio arsenale chimico, perché i leader militari, in quanto professionisti, non amavano usare il gas come arma e si temevano le eventuali rappresaglie, soprattutto sotto forma di attacchi dall'alto alle città. La Seconda guerra mondiale si potrebbe definire il conflitto dei fisici, considerato il ruolo di spicco svolto da radar, missili, radarspolette e dalla bomba atomica, benché scienziati di altri settori ‒ come la chimica, l'ingegneria e la matematica ‒ abbiano svolto anch'essi una funzione di rilievo nello sforzo bellico.
I chimici diedero il loro contributo soprattutto in campi come lo sviluppo di combustibili per i missili e l'ideazione di nuovi esplosivi ad alto potenziale, soprattutto l'RDX (ciclotrimetilenetrinitrammina), una volta e mezzo più potente del TNT (trinitrotoluene). Combinato con altre sostanze, veniva utilizzato in modo efficace nelle testate dei siluri, nelle mine e nelle cariche di profondità, nonché in alcune delle bombe sganciate sulle basi dei sottomarini tedeschi. Gli scienziati dell'OSRD di Harvard riuscirono a trasformare la benzina in una sostanza gelatinosa aggiungendovi il sapone di alluminio degli acidi del cocco; denominata napalm, questa benzina più densa fu usata per costruire le bombe incendiarie che distrussero molte città e i lanciafiamme che venivano puntati contro i nemici nascosti nei bunker e nelle grotte.
Con l'aiuto della tecnologia, i crittografi perfezionarono l'arte della decifrazione dei codici. All'inizio del 1942 i decrittatori americani decifrarono il codice navale giapponese, permettendo alla Marina degli Stati Uniti di fermare l'avanzata giapponese sul Pacifico con la battaglia di Midway. A Bletchley Park, in Inghilterra, squadre di crittografi ‒ alcuni dei quali erano stati reclutati tra giocatori di scacchi, enigmisti e patiti del bridge ‒ sfidarono la formidabile macchina tedesca per la codifica dei messaggi, denominata Enigma. All'inizio usarono alcuni ingegnosi sistemi inventati dagli analisti polacchi ma, ben presto, il matematico Alan M. Turing ideò una potentissima macchina per la decodificazione dalla quale, all'inizio del 1944, gli inglesi svilupparono Colossus I, un decrittatore elettronico che poteva essere usato contro l'Enigma e contro il più recente sistema di codificazione tedesco denominato Fish. Il Colossus fornì informazioni essenziali per la programmazione dello sbarco in Normandia ‒ soprattutto scoprendo che i tedeschi avevano creduto al trucco degli echi radar usato dagli Alleati ‒ e verso la fine del conflitto ne esistevano ben dodici, che consentivano di avere informazioni sulle decisioni del comando nemico.
Le forze dell'Asse
I giapponesi non disponevano di mezzi per mobilitare i loro scienziati su vasta scala e la Germania mantenne il suo vantaggio tecnologico iniziale in vari settori, soprattutto quello dei missili. Tra le due guerre i tedeschi avevano portato avanti apertamente la ricerca missilistica ‒ compresa tra quelle consentite dal Trattato di Versailles ‒ con il risultato che, entro il 1940, il loro programma era il più avanzato del mondo. Durante il conflitto una figura chiave di tale programma fu il giovane ingegnere Wernher von Braun (1912-1977), che più tardi avrebbe affermato di aver costruito missili per Hitler solamente perché interessato a questo settore e non per facilitare la conquista nazista. Egli sosteneva che i missili non erano migliori dell'artiglieria a lungo raggio, perché non erano in grado di trasportare cariche esplosive più pesanti di quelle dell'artiglieria. Dopo la sconfitta della Germania nella battaglia d'Inghilterra però Walter Robert Dornberger, direttore del programma missilistico tedesco, dichiarò che, diversamente dagli aerei, i missili non potevano essere in alcun modo contrastati, funzionavano con qualunque tempo, di giorno e di notte, e potevano essere puntati con precisione contro Londra e le altre città portuali. Il programma missilistico ottenne l'appoggio di Hitler non tanto perché promettente dal punto di vista tattico ma perché il Führer vedeva tali apparecchi come un'arma di vendetta, come disse nel 1942 a Dornberger: "Quello che voglio è l'annientamento […] l'effetto dev'essere tale da annientare".
Come sede dell'impianto per la ricerca, la realizzazione e la produzione di missili fu scelta Peenemünde, un'isola tedesca al largo della costa baltica. Nel 1943 essa disponeva già di due tunnel del vento supersonici, aveva 200 dipendenti e godeva del sostegno ammirato del ministro per gli Armamenti Albert Speer, lo 'zar della mobilitazione industriale'. A proposito dell'attività degli ingegneri, egli avrebbe più tardi ricordato: "Esercitava uno strano fascino su di me. Era come se programmassero miracoli. Mi colpivano molto […] questi tecnici con le loro visioni fantastiche, questi matematici romantici. Ogni volta che andavo in visita a Peenemünde mi sentivo, piuttosto spontaneamente, molto affine a loro". La produzione di Peenemünde era basata sul lavoro di 8000 forzati ca.; un funzionario dell'impianto disse una volta ai capisquadra: "Non vi preoccupate dei costi umani. Il lavoro deve andare avanti, e nel più breve tempo possibile".
Nel giugno del 1944 Hitler lanciò da Peenemünde i nuovi V1 (la V stava per Vergeltungswaffe, 'arma di rappresaglia'); si trattava di missili radio-controllati senza pilota, con piccoli motori, in grado di attraversare la Manica a 400 miglia l'ora che, in numero di 2400 ca., colpirono Londra nell'arco di diversi mesi, uccidendo 6000 persone e ferendone altre 40.000. Essi preludevano ai V2, i primi missili balistici a medio raggio, più di mille dei quali furono lanciati da Peenemünde verso la Gran Bretagna a partire dall'8 settembre. Al momento del lancio i V2 sfruttavano la spinta dei razzi e si sollevavano ad arco fino a un'altezza di sessanta miglia, per poi ricadere verso l'Inghilterra, accelerando nella discesa fino a toccare la velocità di tremila miglia orarie. Molti dei V1 lanciati non raggiunsero mai Londra perché furono abbattuti dai caccia, guidati dai radar, e dai cannoni della contraerea, che usavano proiettili dotati di radarspolette, ma l'unico, vero modo per difendersi dai V2 era quello di bombardarli e, infine, di conquistarne le basi di lancio.
Nonostante i successi nel campo missilistico, in Germania la mobilitazione degli scienziati per la guerra risultò meno efficace che nei paesi alleati. Hitler non riuscì a cogliere le grandi potenzialità delle nuove tecnologie e a integrarle nelle tattiche e nelle strategie militari. Secondo Speer, nelle sue decisioni sugli armamenti era avverso alla modernità e definiva i tentativi di costruire la bomba atomica "un prodotto della pseudoscienza ebrea", insistendo perché gli aerei a reazione fossero usati soltanto come bombardieri e non come caccia e sostenendo che il cervello dei piloti non avrebbe potuto affrontare uno scontro a quella velocità. Inoltre, diversamente da quanto avvenne negli Stati Uniti con l'OSRD, ai tedeschi mancava un centro di comando unificato e, di conseguenza, si scatenavano rivalità ‒ sovente incoraggiate dallo stesso Hitler ‒ tra le agenzie militari, le SS, la grande industria, la pubblica amministrazione e il partito nazista. In questa situazione iniziative come il programma missilistico ebbero notevole sviluppo a differenza di altre, soprattutto la ricerca sul radar.
La ricerca tedesca sui radar fu rallentata dal segreto militare e commerciale, dal fatto di non aver coinvolto gli scienziati e gli ingegneri delle università e dalle barriere costituite dai brevetti, dalle licenze e dalla lotta per conquistare una posizione nel mercato del dopoguerra. Quando nel febbraio del 1943 in un bombardiere alleato abbattuto fu trovato un piccolo radar, Hermann Goering, il capo della Luftwaffe, dichiarò: "Dobbiamo francamente ammettere che in questo settore gli inglesi e gli americani sono molto più avanti di noi. Immaginavo che lo fossero, ma non li credevo arrivati fino a questo punto. Speravo che, sebbene un po' in ritardo, stessimo partecipando alla stessa corsa". Per neutralizzare il radar di 10 cm gli scienziati tedeschi idearono alcuni strumenti ‒ come i rivelatori aerei di sottomarini ‒ ma, nel frattempo, i radar alleati erano arrivati a misurare 3 cm; i tedeschi fabbricarono anche magnetron per i sistemi radar aerei e terrestri ma, quando cominciarono a usarli, la guerra era pressoché finita.
Allo scoppio del conflitto, nel 1939, in Germania alcuni scienziati, tra i quali Heisenberg, avevano già fondato il cosiddetto Uran-Verein (il club dell'uranio), per esplorare le possibilità militari ed economiche dell'energia nucleare. Nel dicembre del 1941 sollecitarono l'appoggio del governo per avviare un grosso programma di ricerca nucleare. Non è chiaro se Heisenberg si fosse reso conto, come Frisch e Peierls, che sarebbero bastate soltanto poche decine di chilogrammi di U235 per costituire la massa critica. Durante la guerra egli dichiarò a più riprese che ne sarebbero occorsi almeno 1000 kg, ossia una quantità che sarebbe stato impossibile raccogliere in tempo utile a fini bellici, ma affermò anche diverse volte che la massa critica non era impossibile da raggiungere, arrivando a dire ‒ in occasione di un Convegno a Berlino nel 1942, in risposta alla domanda di un funzionario del ministero dell'Aeronautica ‒ che Londra poteva essere distrutta con una bomba delle dimensioni di un ananas.
Quale che fosse la sua opinione, Heisenberg non insistette per la realizzazione di armi nucleari, benché fosse consapevole della possibilità di costruire una bomba atomica anche utilizzando un elemento ottenibile ‒ in un reattore nucleare ‒ mediante una reazione a catena dal più abbondante isotopo U238. Tale elemento, il numero 94 della tavola periodica denominato plutonio, era stato peraltro prodotto ‒ a sua insaputa ‒ a Berkeley in un acceleratore della University of California all'inizio del 1941. A quanto sembra, Heisenberg neanche nominò l'elemento 94 al Convegno di Berlino del 4 giugno 1942, dove attirò l'attenzione di Speer, sostenitore di grandi progetti come quello di von Braun. Quando il ministro per gli Armamenti gli chiese quali sarebbero stati i costi necessari per accelerare la ricerca nucleare, Heisenberg suggerì una cifra talmente irrisoria da indurlo ‒ informandone Hitler ‒ ad abbandonare il progetto ai fini della guerra. Nel dicembre del 1944 un'équipe di scienziati americani, inviata in Europa nell'ambito di una missione segreta dell'Esercito (denominata in codice ALSOS) per verificare il livello della ricerca nucleare tedesca, valutò orientativamente come modesto il progetto per la bomba atomica.
Nel 1947, sulla rivista scientifica inglese "Nature", Heisenberg raccontò che, sebbene sia lui sia i suoi colleghi sapessero come fabbricare un'arma atomica, erano riluttanti a costruirla per Hitler; in ogni caso, essi non si erano trovati di fronte ad alcun dilemma morale, in quanto gli stessi militari tedeschi ritenevano l'impresa troppo impegnativa per la Germania in tempo di guerra e avevano preferito incanalare le energie nella realizzazione di un reattore che fosse in grado di sfruttare l'energia nucleare come fonte di alimentazione per navi e generatori elettrici.
Heisenberg non era mai riuscito a calcolare la massa critica necessaria per una bomba all'uranio e, benché avesse capito che sarebbero stati sufficienti pochi chilogrammi di uranio arricchito, evidentemente ritenne troppo impegnativo per l'industria tedesca perfino mettere insieme tale piccola quantità. Di fatto, Heisenberg non aveva né il temperamento né l'esperienza per immaginare la possibilità di ottenere la separazione dell'uranio su scala industriale. Fisici dell'Uran-Verein specializzati in altri settori avevano quell'esperienza ma non riuscirono a convincerlo a mettere il suo prestigio al servizio delle loro ambizioni. Uno di loro, un esperto di fisica sperimentale intervistato dopo la guerra, criticò la scelta di Heisenberg come direttore del 'progetto uranio', affermando che, non avendo egli mai condotto alcun esperimento in tutta la sua vita, difficilmente avrebbe potuto avere la capacità di dirigere con successo un tale progetto e che era "impensabile" potesse "guidare lo sviluppo di una nuova tecnologia".
La bomba atomica
Molti fisici americani erano, al contrario, assai esperti nel costruire e nel far funzionare strumenti ad alta tecnologia, soprattutto i ciclotroni, macchine capricciose la cui realizzazione aveva stimolato lo sviluppo di competenze manageriali e atteggiamenti pragmatici. Molti entrarono a far parte del progetto nucleare dopo avere acquistato esperienza lavorando per diversi anni sui radar a microonde. Sebbene perfettamente consapevoli delle difficoltà che avrebbero incontrato per ottenere il materiale combustibile fissile sufficiente per un ordigno, non si lasciarono scoraggiare e, convinti di essere in competizione con la Germania nazista per la costruzione della bomba atomica, si dimostrarono particolarmente determinati.
Nel gennaio del 1942 Arthur H. Compton riunì varie équipe di fisici alla University of Chicago nel Metallurgic Laboratory, con lo scopo immediato di ottenere una reazione a catena per verificare la possibilità di produrre plutonio in una pila atomica. Enrico Fermi, un rifugiato italiano, diresse la costruzione di un reattore nucleare in un campo da squash sotto la tribuna ovest dello Stagg Field, lo stadio di football inutilizzato dell'università. Il 2 dicembre 1942 erano già state raccolte quasi 400 t di grafite, 6 t di metallo d'uranio e 50 t di ossido d'uranio. Sotto la direzione di Fermi, le barre di controllo della reazione furono lentamente ritirate e nella pila ebbe luogo la prima reazione nucleare a catena controllata del mondo.
Nel giugno 1942, avendo ottenuto da Roosevelt l'autorizzazione a procedere a pieno ritmo alla realizzazione di un ordigno, Bush giunse alla conclusione che costruire una bomba atomica avrebbe richiesto uno sforzo industriale che andava ben oltre le capacità di gestione dell'OSRD; di conseguenza egli fece sì che il compito di sviluppare il processo, di elaborare il progetto, di procurare i materiali e di scegliere la sede dell'impianto fosse affidato al nuovo Manhattan District del corpo del genio dell'Esercito. A settembre il comando del reparto fu affidato al generale di brigata Leslie Groves, l'ingegnere che aveva costruito il Pentagono, un ufficiale vivace, efficiente, molto sicuro di sé e decisamente capace.
Groves si attivò con determinazione perché venissero realizzati gli impianti necessari alla produzione dell'U235 fissile. Gli scienziati americani avevano ideato vari metodi per separarlo dall'U238. La separazione elettromagnetica era stata testata sperimentalmente nel ciclotrone della California University a Berkeley e si basava sul principio che, se gli atomi di uranio vengono fatti passare attraverso il campo magnetico di un ciclotrone, gli ioni dell'U235 si separano da quelli dell'U238 e possono essere raccolti. Un altro metodo, quello della diffusione gassosa, sfruttava il fenomeno per cui due sostanze gassose di peso diverso si diffondono a velocità diverse intorno a una serie di barriere porose; costretto a passare attraverso una sequenza di barriere porose sufficientemente lunga, il più leggero U235 alla fine si sarebbe separato dal più pesante U238. Groves avviò la costruzione a Oak Ridge, nel Tennessee, di ettari di barriere per la diffusione, su una riserva del governo di 59.000 acri che l'Esercito aveva acquistato a questo scopo. Sempre a Oak Ridge egli fece erigere un grande impianto per la separazione elettromagnetica, che allontanava tra loro i due isotopi di uranio producendo onde ciclotroniche.
Nel frattempo gli scienziati del Metallurgic Laboratory idearono tecniche per la separazione chimica del plutonio dall'uranio recuperato da una pila nucleare. Nel 1943 i fisici e i chimici lasciarono Chicago per Oak Ridge, dove progettarono e costruirono una pila sperimentale e un impianto per la separazione; a fine anno il macchinario produsse i primi milligrammi di plutonio. Essi progettarono inoltre una pila per la produzione del plutonio e strumenti per la sua lavorazione, che dovevano essere costruiti dalla DuPont Corporation su 400.000 acri appartenenti al governo federale vicino al fiume Columbia a Hanford, nello stato di Washington. All'inizio del 1945 gli impianti di Hanford stavano già cominciando a produrre plutonio puro e quelli di Oak Ridge U235 purissimo in quantità sempre maggiori.
Molto prima che i due impianti raggiungessero il massimo della produzione, entrambi iniziarono a inviare i primi campioni di plutonio e di U235 arricchito a un laboratorio speciale, che costituiva il vertice del Manhattan Project e che Groves aveva istituito e affidato alla direzione del fisico teorico J. Robert Oppenheimer; esso era situato a Los Alamos, nel New Mexico, a un'altitudine di 2300 m, sul maestoso Sangre de Cristo, a circa settantacinque miglia da Albuquerque. Da quando era stato inaugurato, nel marzo del 1943, il laboratorio di Los Alamos aveva assunto un numero altissimo di fisici e chimico-fisici, tanto che, nella primavera del 1945, il suo personale scientifico e tecnico era arrivato a contare più di 2000 persone, di cui 600 ca. erano uomini arruolati dall'Esercito e assegnati al laboratorio nell'ambito di un reparto speciale del genio.
La composizione del personale di Los Alamos era indicativa del fatto che, sebbene fosse concentrato negli Stati Uniti, il Manhattan Project era un'impresa internazionale. Le ricerche in tutti i settori collegati alla progettazione e alla costruzione di ordigni atomici continuavano anche in Gran Bretagna ed erano state avviate a Montreal, in Canada, sotto la direzione dei fisici francesi Hans Halban e Lew Kowarski. Una sottocommissione fungeva da punto di raccordo tra i vari programmi atomici canadesi, britannici e statunitensi; uno dei suoi membri, il fisico inglese James Chadwick, dirigeva un gruppo sperimentale a Los Alamos e in tutti i principali impianti del Manhattan Project lavoravano fisici esuli, come Leo Szilard a Chicago, Eugene Wigner a Hanford e Hans Bethe ed Edward Teller nel New Mexico.
Al Manhattan Project partecipavano anche scienziati di sinistra, alcuni dei quali negli anni Trenta erano stati comunisti. La loro presenza, accanto a quella di numerosi stranieri, induceva ‒ a ragion veduta ‒ i funzionari della sicurezza a preoccuparsi della possibilità di fughe di notizie. Nel giugno del 1942 il Commissariato del popolo per gli affari interni (NKVD) sovietico inviò i suoi agenti presso le ambasciate di Berlino, Londra e New York per raccogliere tutte le informazioni possibili su ogni aspetto della ricerca sulla bomba atomica. Gli agenti contattarono i simpatizzanti dell'Unione Sovietica che facevano parte del personale dei diversi laboratori del progetto o a essi collegati. Un agente cercò di ottenere informazioni da Oppenheimer, che si rifiutò di dargliene; altri, invece, trovarono persone disposte a collaborare, come per esempio Klaus Fuchs, brillante fisico teorico, esule dalla Germania, il quale faceva parte del gruppo di Chadwick e passava regolarmente ai sovietici informazioni di fondamentale importanza.
Il principale problema tecnico che gli scienziati di Los Alamos dovevano risolvere era la progettazione della bomba. Per ottenere un'esplosione molto potente occorreva accumulare in breve tempo una quantità di materiale fissile sufficiente a costituire la massa critica, che poi doveva essere mantenuto abbastanza a lungo da liberare molta energia. Il metodo di assemblaggio più diretto consisteva nell'usare un cannone che sparasse una massa subcritica di materiale fissile contro l'altra con la velocità e la forza di un proiettile d'artiglieria. Questo sistema sembrava poter funzionare con l'U235, ma per il plutonio bisognava impiegare un altro metodo di detonazione: chiamato implosione, esso prevedeva che una massa subcritica di plutonio fosse circondata di materiale altamente esplosivo il quale, scoppiando, avrebbe prodotto un'onda d'urto a simmetria sferica che avrebbe viaggiato verso il centro dell'ordigno; l'onda d'urto avrebbe compresso il plutonio fino a raggiungere la massa critica e, mantenendolo compresso mentre avveniva una rapida reazione a catena, avrebbe potenziato al massimo l'energia liberata.
All'inizio di luglio il laboratorio si preparò ad assemblare il cannone della bomba a U235 per inviarlo al 509° Composite Air Group, un'unità di bombardieri B-29 che aveva effettuato un addestramento speciale e che si trovava nel Pacifico. Gli scienziati di Los Alamos avevano grande fiducia nel loro metodo e non ritennero necessario testare la bomba all'uranio Little Boy ‒ nome in codice dell'ordigno ‒ prima del suo impiego bellico. Un test dell'arma a implosione, che era sembrato indispensabile, fu condotto con successo il 16 luglio del 1945 nel deserto vicino ad Alamogordo, nel New Mexico. La mattina del 6 agosto 1945 il bombardiere Enola Gay sganciò Little Boy su Hiroshima, un grosso centro industriale che non era stato quasi mai bombardato e ospitava importanti installazioni militari. Una grande palla di fuoco incenerì la città, trasformandola in un deserto di rovine coperto da un'enorme colonna di fumo, che ben presto salì fino a 9000 m: rimasero uccise all'incirca 80.000 persone e altre decine di migliaia morirono in seguito a causa delle bruciature e dell'avvelenamento da radiazioni. Il 9 agosto un altro B-29 sganciò la bomba implosiva al plutonio chiamata in codice Fat Man su Nagasaki, importante porto giapponese, dove le vittime furono 40.000. Il 14 agosto il Giappone firmò la resa.
Nella maggior parte delle popolazioni alleate, questa fine della guerra decretata dalla bomba atomica provocò un miscuglio di sentimenti, non soltanto di gioia e di sollievo ma anche di dubbio e di timore che la scienza si fosse spinta troppo oltre. Quali che fossero le reazioni, la bomba mise tutti d'accordo sulla necessità ‒ che aveva cominciato a emergere anche prima di Hiroshima ‒ di energici programmi militari di ricerca e sviluppo per la sicurezza nazionale: gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica fecero a gara per accaparrarsi gli scienziati e gli ingegneri tedeschi, la Gran Bretagna decise di costruire una propria bomba atomica. In Unione Sovietica, durante la guerra, Stalin non si era fidato delle affermazioni dei suoi fisici, secondo i quali era possibile realizzare un ordigno atomico, e aveva concesso risorse limitate al progetto nucleare; dopo Hiroshima e Nagasaki, invece, egli avviò un programma intensivo per la costruzione di una bomba sovietica, che tuttavia vide la luce soltanto nel 1949, nonostante il lavoro degli scienziati fosse stato accelerato di uno o due anni dalle informazioni ottenute tramite Fuchs e altri.
Quando, negli anni immediatamente successivi al conflitto mondiale, scoppiò la guerra fredda e cominciò la corsa agli armamenti nucleari, nei più importanti paesi orientali e occidentali gli scienziati, soprattutto i fisici, divennero un nuovo gruppo di potere. Indispensabili per la sicurezza nazionale, essi erano molto stimati e ben appoggiati e ricevevano abbondanti finanziamenti per la ricerca e la formazione da varie agenzie della difesa o collegate alla difesa. Nei paesi dove la ricerca scientifica era più avanzata, le scienze fisiche sviluppatesi durante la Seconda guerra mondiale assunsero dunque negli Stati impegnati nella guerra fredda il ruolo di 'guardie'.