Projekt Manhattan – powstanie amerykańskiej bomby atomowej

Projekt Manhattan był jednym z najbardziej ambitnych i przełomowych przedsięwzięć naukowych i inżynieryjnych w historii ludzkości. Jego celem było stworzenie pierwszej bomby atomowej, co miało olbrzymi wpływ na zakończenie II wojny światowej oraz to jak ukształtował się świat po niej.

Rozszczepienie jądra atomu

Amerykański program atomowy został uruchomiony gdy trwała już II wojna światowa. Jednak jego początki sięgają jeszcze okresu przedwojennego, gdy nie wszyscy naukowcy zdawali sobie sprawę z tego jakie skutki przyniesie rozszczepienie jądra atomu. Wielu naukowców na całym świecie prowadziło badania związane z atomem, zdając sobie sprawę z potencjału jaki niosło rozszczepienie jądra atomu, ale dopiero wybuch wojny sprawił, że przyśpieszono prace nad technologią atomową. Widziano kilka zastosowań dla nowej technologii, od powstania nowych źródeł energii, po możliwość zbudowania potężnej broni, zdolnej do niszczenia całych miast.

Kluczowym momentem było odkrycie rozszczepienia jądra atomu przez austriackiego chemika Otto Hahna i niemieckiego chemika Fritza Strassmanna w grudniu 1938 roku. Ich eksperymenty, polegające na bombardowaniu uranu neutronami, wykazały, że atom uranu rozpada się na lżejsze pierwiastki, co było zjawiskiem do tej pory niewyjaśnionym. Informacje o tym odkryciu szybko rozprzestrzeniły się w międzynarodowym środowisku naukowym, głównie za pośrednictwem fizyczki Lise Meitner i jej siostrzeńca Otto Frisha, którzy, będąc emigrantami w Szwecji i Danii, poprawnie zinterpretowali zjawisko jako rozszczepienie jądra atomowego. Co najważniejsze, obliczyli, że proces ten wiąże się z uwolnieniem ogromnych ilości energii i co kluczowe dla militarnego zastosowania, z emisją dodatkowych neutronów. To właśnie perspektywa samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej, w której neutrony z jednego rozszczepienia wywołują kolejne rozszczepienia, otwierała drogę do stworzenia broni o niespotykanej dotąd mocy.

Wkrótce po ogłoszeniu tych odkryć, fizycy na całym świecie zaczęli prowadzić podobne eksperymenty. W Stanach Zjednoczonych, naukowcy tacy jak George Pegram na Uniwersytecie Columbia i Leo Szilard na Uniwersytecie George’a Washingtona szybko zdali sobie sprawę z militarnego potencjału nowo odkrytego zjawiska. Szilard, węgierski fizyk, który już w 1933 roku wysunął koncepcję reakcji łańcuchowej, był szczególnie zaniepokojony możliwością wykorzystania tej wiedzy przez nazistowskie Niemcy.

Pegram po spotkaniu z kontradmirałem Haroldem G. Bowenem zainicjował w US Navy rozpoczęcie prac nad rozwojem technologii napędu nuklearnego dla okrętów. Wśród osób, które brały udział w pierwszych rozmowach na temat tego programu znalazł się dr Ross Gunn, który poprosił Bowena o wsparcie finansowe w wysokości 1500 dolarów na rozpoczęcie prac nad rozszczepieniem jądra atomu. Były to pierwsze środki oficjalnie wydane na rozwój amerykańskiego programu atomowego, chociaż wówczas jeszcze mało kto zdawał sobie ze skali, jaką uzyska ten projekt.

Niemiecki program atomowy

Równocześnie obawy Szilarda co do zagrożenia ze strony niemieckiego programu atomowego nie były bezpodstawne. Niemcy, jako kraj, w którym odkryto rozszczepienie jądrowe i gdzie pracowało wielu wybitnych fizyków, w tym Werner Heisenberg, uruchomiły swój własny program atomowy, znany jako Uranverein (pol. Klub Uranowy), już w kwietniu 1939 roku. Choć niemieckie wysiłki były skrywane w tajemnicy, alianccy naukowcy byli świadomi ich potencjału. Raporty wywiadowcze, często fragmentaryczne i niepewne, sugerowały, że Niemcy dążą do zbudowania bomby atomowej, lub przynajmniej do stworzenia reaktora do produkcji energii.

W rzeczywistości, niemiecki program cierpiał na braki materiałowe (szczególnie ciężkiej wody, kluczowej dla ich koncepcji reaktora), wewnętrzne spory, błędy w obliczeniach (Heisenberg początkowo niedoszacował masy krytycznej) oraz brak scentralizowanego i priorytetowego wsparcia na skalę, jaką później zaoferowano Projektowi Manhattan. Jednak dla Aliantów, groźba posiadania przez Hitlera broni jądrowej była wystarczająco realna, by podjąć zdecydowane działania.

List Einsteina-Szilarda

W lipcu 1939 roku, Szilard i inny węgierski fizyk Eugene Wigner, postanowili zaalarmować prezydenta Roosevelta. Zdawali sobie sprawę, że ich ostrzeżenie będzie miało większą wagę, jeśli zostanie podpisane przez Alberta Einsteina, jednego z najsłynniejszych naukowców na świecie, którego pacyfistyczne przekonania czyniły jego apel tym bardziej przejmującym. Szilard zredagował list, który następnie podpisał Einstein. List, datowany na 2 sierpnia 1939 roku, dotarł do rąk Roosevelta dopiero 11 października 1939 roku, przekazany przez ekonomistę i przyjaciela prezydenta, Alexandra Sachsa. W liście alarmowano o możliwości budowy „niezwykle potężnych bomb nowego typu” opartych na uranie i wskazywano na niemieckie prace w tym kierunku, szczególnie na zaprzestanie sprzedaży uranu z kopalni w Czechosłowacji, co sugerowało niemieckie zainteresowanie tym surowcem.

Prezydent Roosevelt potraktował ostrzeżenie bardzo poważnie. Niemal natychmiast, 21 października 1939 roku, powołał Komitet Uranowy (ang. Advisory Committee on Uranium), na czele którego stanął Lyman Briggs, dyrektor Narodowego Biura Standardów. Początkowe badania prowadzone przez ten komitet były jednak skromne, dysponując budżetem w wysokości zaledwie 6000 dolarów (współcześnie około 136 tys. dolarów) na zakup grafitu i innych materiałów do eksperymentów. Brakowało poczucia pilności, ponieważ naukowcy wciąż nie byli pewni, czy kontrolowana reakcja łańcuchowa jest w ogóle możliwa, a także ze względu na biurokratyczną opieszałość i brak pełnego zrozumienia dla skali potencjalnego zagrożenia.

Przyspieszenie prac po Pearl Harbor i brytyjski wpływ

Sytuacja uległa drastycznej zmianie po japońskim ataku na Pearl Harbor 7 grudnia 1941 roku i przystąpieniu Stanów Zjednoczonych do II wojny światowej. Amerykańskie społeczeństwo i elity polityczne były w szoku, a zasoby kraju zostały w pełni zmobilizowane do wysiłku wojennego. W tym kontekście, program atomowy zyskał znacznie większą pilność.

Dodatkowym, a być może nawet kluczowym, impulsem był brytyjski raport MAUD (ang. Military Application of Uranium Detonation) z lipca 1941 roku. Grupa MAUD, złożona z brytyjskich naukowców (w tym Otto Frisha i Rudolfa Peierlsa), która współpracowała z Amerykanami od 1940 roku, przeprowadziła niezależne badania i doszła do jednoznacznego wniosku, że budowa bomby atomowej jest nie tylko wykonalna, ale może zostać zrealizowana w ciągu zaledwie dwóch lat, przy użyciu stosunkowo niewielkich ilości uranu-235 (kilogramów, a nie ton, jak początkowo sądzono). Raport ten podkreślał również realne zagrożenie ze strony niemieckiego programu jądrowego i wzywał do natychmiastowych działań. Raport MAUD wywarł ogromne wrażenie na amerykańskich doradcach Roosevelta, takich jak Vannevar Bush i James Conant, którzy uznali go za decydujący dowód na realność atomowego zagrożenia i wykonalność projektu.

W czerwcu 1942 roku, po dogłębnej analizie raportów i postępów w badaniach, prezydent Roosevelt podjął strategiczną decyzję o uruchomieniu pełnoskalowego programu budowy bomby atomowej. Projekt został powierzony Korpusowi Inżynierów Armii Stanów Zjednoczonych i oficjalnie nazwany „Manhattan Engineer District” (pol. Dystrykt Inżynieryjny Manhattan) w sierpniu 1942 roku. Nazwa pochodziła od biura Korpusu Inżynierów w Nowym Jorku, które początkowo nadzorowało część wstępnych badań i miała służyć jako kamuflaż. Generał Leslie Groves, inżynier wojskowy z doświadczeniem w zarządzaniu dużymi projektami budowlanymi (nadzorował m.in. budowę Pentagonu), został mianowany dyrektorem wojskowym projektu 17 września 1942 roku. Groves, znany ze swojej bezwzględnej skuteczności i zdolności do ograniczania biurokracji, stał się siłą napędową całego przedsięwzięcia. Dyrektorem naukowym, odpowiedzialnym za projektowanie i konstrukcję samej broni, został zaś wybitny fizyk teoretyczny Robert Oppenheimer, który objął to stanowisko 27 marca 1943 roku, przejmując kierownictwo nad tajnym laboratorium w Los Alamos. Jego wybór, pomimo kontrowersji związanych z jego wcześniejszymi sympatiami politycznymi, okazał się trafiony ze względu na jego geniusz naukowy i zdolności przywódcze.

Projekt Manhattan

Projekt Manhattan (lub też Program Manhattan), jak zaczęto nazywać całe przedsięwzięcie, był bezprecedensowy pod względem skali, zaangażowanych zasobów i wyzwań technologicznych. Jego realizacja wymagała nie tylko ogromnych nakładów finansowych, ale także koordynacji działań tysięcy naukowców, inżynierów i robotników pracujących w ścisłej tajemnicy, rozrzuconych po rozległych obszarach Stanów Zjednoczonych, a nawet poza ich granicami, w ramach współpracy z Wielką Brytanią i Kanadą.

Szacuje się, że jego całkowity koszt wyniósł około 2 mld dolarów (współcześnie około 34,9 mld dolarów). Był to wydatek porównywalny z budową Kanału Panamskiego. Te środki zostały przeznaczone na badania, rozwój, budowę gigantycznych kompleksów przemysłowych, zakup surowców (głównie rudy uranu z Konga Belgijskiego i Kanady) oraz wynagrodzenia dla personelu. Pośrednio do tych kosztów można zaliczyć program budowy nowych bombowców strategicznych Boeing B-29 Superfortress, które stały się pierwszymi nosicielami amerykańskiej bomby atomowej.

W Projekt Manhattan zaangażowano ponad 130 000 osób w szczytowym momencie (w tym około 600 000 osób w ogóle przeszło przez projekt na różnych jego etapach), wliczając w to czołowych naukowców, inżynierów, techników, wojskowych oraz tysiące pracowników fizycznych i administracyjnych. Większość z nich nie miała pojęcia o prawdziwym celu swojej pracy; na przykład, tysiące kobiet pracujących przy Calutronach w Oak Ridge były informowane, że obsługują maszyny do segregacji tytoniu lub wykonują inne niegroźne zadania.

Głównym celem programu było wyprodukowanie wystarczającej ilości materiałów rozszczepialnych – wzbogaconego uranu (235U) lub plutonu (239Pu), oraz zaprojektowanie mechanizmu, który pozwoliłby na ich efektywną detonację. Proces ten był podzielony na kilka równoległych projektów, prowadzonych w specjalnie do tego celu stworzonych, olbrzymich ośrodkach.

Laboratorium Los Alamos w Nowym Meksyku (Project Y) było sercem projektu naukowego, gdzie teoretyczne koncepcje były przekształcane w konkretne plany konstrukcyjne. Pod kierownictwem Roberta Oppenheimera, zespół wybitnych fizyków (w tym laureaci Nagrody Nobla, tacy jak Enrico Fermi, Hans Bethe, Richard Feynman, Niels Bohr – który odwiedził Los Alamos incognito, używając nazwiska Nicholas Baker – i wielu innych przyszłych noblistów), chemików i inżynierów pracował nad teoretycznymi podstawami, projektowaniem, a następnie montażem samych bomb atomowych. Prowadzono tam intensywne badania nad fizyką neutronową, określaniem masy krytycznej, metalurgią i chemią materiałów rozszczepialnych, a także projektowaniem skomplikowanych detonatorów i systemów implozyjnych. W Los Alamos testowano również poszczególne komponenty bomby, aby upewnić się, że będą działać zgodnie z projektem, co obejmowało setki eksperymentów z materiałami wybuchowymi i detonatorami.

Oak Ridge w Tennessee (Clinton Engineer Works) było olbrzymim miastem naukowym i przemysłowym, zbudowanym praktycznie od podstaw na obszarze o powierzchni ponad 240 km². Było to główne centrum produkcji wzbogaconego uranu (235U) i zatrudniało w szczytowym momencie ponad 75 000 osób. Wykorzystywano tam trzy innowacyjne i niezwykle energochłonne metody separacji izotopów. Metoda elektromagnetyczna (Calutrony w Y-12 Plant), rozwinięta na podstawie technologii cyklotronów Ernest Lawrence’a z Berkeley, wykorzystywała gigantyczne spektrometry mas do separowania jonów 235U od 238U. Proces ten był tak energochłonny, że zużywał więcej energii elektrycznej niż cały Nowy Jork. Do budowy cewek elektromagnesów, ze względu na niedobór miedzi w czasie wojny, amerykański Kongres zatwierdził użycie 14 700 ton srebra pożyczonego z rezerw skarbu państwa.

Drugą metodą była metoda dyfuzji gazowej (K-25 Plant), która polegała na przepuszczaniu gazowego sześciofluorku uranu (UF6​) przez tysiące mikroskopijnych porów w specjalnych barierach. Aby uzyskać znaczące wzbogacenie, proces ten musiał być powtarzany w tysiącach stopni, tworząc gigantyczne, wielokondygnacyjne kaskady dyfuzyjne. Instalacja K-25 była największym budynkiem pod jednym dachem na świecie w tamtym czasie, mając ponad 1,6 km długości w kształcie litery U. Trzecia, uzupełniająca metoda, to dyfuzja termiczna (S-50 Plant), wykorzystująca różnice temperatur do separacji izotopów w cieczy.

W Hanford w stanie Waszyngton (Hanford Engineer Works) zlokalizowano natomiast produkcję plutonu (239Pu). To gigantyczne, odosobnione miejsce wybrano ze względu na bliskość rzeki Kolumbia, która zapewniała gigantyczne ilości wody chłodzącej dla reaktorów, oraz oddalenie od skupisk ludzkich (co było kluczowe ze względu na ryzyko skażenia radioaktywnego). W Hanford zbudowano i uruchomiono trzy duże reaktory jądrowe (oznaczone jako B, D i F), z których pierwszy – reaktor B – uruchomiono 26 września 1944 roku. Były to chłodzone wodą grafitowe reaktory, w których naturalny uran (238U) był napromieniowywany neutronami, przekształcając się w pluton-239. Następnie, w specjalnych kompleksach chemicznych nazywanych „canyon” (ze względu na ich długie i wąskie kształty, przypominające kaniony), pluton był chemicznie oddzielany od uranu i innych silnie radioaktywnych produktów rozszczepienia. Był to proces niezwykle niebezpieczny, wymagający zdalnego sterowania i ciężkich osłon betonowych, aby chronić pracowników przed promieniowaniem.

W Chicago w Illinois w Metallurgical Laboratory (Met Lab) miało miejsce jedno z najważniejszych wydarzeń naukowych programu, które otworzyło drogę do produkcji plutonu. 2 grudnia 1942 roku o godzinie 15:25 czasu lokalnego, zespół pod kierownictwem Enrico Fermiego (w tym m.in. Leo Szilard i Arthur Compton) osiągnął pierwszą samopodtrzymującą się, kontrolowaną reakcję łańcuchową w reaktorze jądrowym o nazwie Chicago Pile-1 (CP-1). Był to stos grafitowych bloków (pełniących rolę moderatora neutronów), w których umieszczono grudki uranu. W miarę wyciągania prętów kontrolnych z kadmu (pochłaniających neutrony), reakcja łańcuchowa przyspieszała. Był to dowód na to, że pluton może być produkowany na skalę przemysłową, co było kluczowym krokiem do budowy bomb plutonowych.

Budowa bomby

W 1943 roku, gdy powstało Los Alamos, naukowcy pod kierownictwem Oppenheimera skupili się na dwóch głównych projektach bomb: uranowej (typ „Little Boy”) i plutonowej (typ „Fat Man”). Bomba uranowa, oparta na koncepcji zapalnika pistoletowego (ang. gun-type), wydawała się prostsza w realizacji. Zakładano, że wystarczy wystrzelić jeden podkrytyczny kawałek uranu-235 w drugi, aby osiągnąć masę nadkrytyczną i wywołać eksplozję. Prostota tej metody sprawiła, że nie planowano dla niej wcześniejszych testów na pełną skalę, co było decyzją ryzykowną, ale w tamtych warunkach konieczną.

Znacznie większe wyzwania stwarzała bomba plutonowa. Pluton-239, choć łatwiejszy do produkcji w reaktorach niż wzbogacony uran-235, okazał się materiałem o znacznie bardziej złożonych właściwościach. Wiosną 1944 roku naukowcy odkryli, że pluton produkowany w reaktorach (zwłaszcza tych dużych, przemysłowych) zawiera niewielkie, ale znaczące ilości izotopu plutonu-240. Problem polegał na tym, że pluton-240 ulega spontanicznemu rozszczepieniu, emitując neutrony z dużą częstotliwością. To oznaczało, że zapalnik pistoletowy nie zadziałałaby dla plutonu – zbyt wiele neutronów zostałoby wyemitowanych przed osiągnięciem masy nadkrytycznej, co spowodowałoby przedwczesną detonację (tzw. fizzle), czyli słaby, nieskuteczny wybuch.

W związku z tym, w połowie 1944 roku, naukowcy z Los Alamos podjęli krytyczną decyzję o zaniechaniu prac nad metodą pistoletową dla bomby plutonowej i skupieniu się wyłącznie na znacznie bardziej skomplikowanej metodzie implozyjnej. Koncepcja ta polegała na otoczeniu kuli plutonu kilkudziesięcioma precyzyjnie uformowanymi konwencjonalnymi ładunkami wybuchowymi (tzw. soczewkami wybuchowymi), które po jednoczesnej detonacji miały skompresować pluton do znacznie większej gęstości, osiągając masę nadkrytyczną i inicjując gwałtowną, efektywną reakcję łańcuchową. Opracowanie precyzyjnych soczewek wybuchowych, które generowałyby idealnie sferyczną, zbieżną falę uderzeniową, stało się priorytetem i największym wyzwaniem inżynieryjnym w Los Alamos. Wymagało to setek eksperymentów z materiałami wybuchowymi, złożonych obliczeń oraz rozwoju nowych technik detonacji i diagnostyki, takich jak fotografia rentgenowska błyskawiczna.

W 1945 roku prace nabrały tempa. W Los Alamos prowadzono ostatnie testy komponentów implozyjnych, w tym testy prawdziwej bomby z wykorzystaniem naturalnego uranu jako substytutu plutonu, aby upewnić się, że system implozyjny działa poprawnie. Wiosną 1945 roku, wraz z nadejściem pierwszych znaczących ilości wzbogaconego uranu z Oak Ridge i plutonu z Hanford, rozpoczęto ostateczny montaż komponentów bomb. Była to praca prowadzona w warunkach najwyższej tajemnicy i ogromnej presji czasu, zwłaszcza w obliczu nadchodzącej konferencji w Poczdamie, oraz szybko zmieniającej się sytuacji na froncie.

Do sierpnia 1945 roku Stany Zjednoczone zbudowały trzy bomby atomowe:

1. „Gadget” – był to prototyp bomby plutonowej, który został użyty w próbie Trinity 16 lipca 1945 roku. Skonstruowany w Los Alamos, miał identyczną zasadę działania jak późniejszy „Fat Man”.
2. „Little Boy” – to bomba uranowa, typu pistoletowego, która została zrzucona na Hiroszimę 6 sierpnia 1945 roku. Była to pierwsza i jedyna bomba uranowa, która została użyta w działaniach wojennych. Do jej konstrukcji użyto około 64 kg wzbogaconego uranu. Ze względu na pewność co do jej działania, nie testowano jej wcześniej.
3. „Fat Man” – to bomba plutonowa, typu implozyjnego, która została zrzucona na Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku. Była to ulepszona wersja „Gadgeta” i zawierała około 6,2 kg plutonu.

Dodatkowo, w sierpniu 1945 roku w Stanach Zjednoczonych trwała produkcja komponentów do kolejnych bomb, a szacowano, że do końca sierpnia 1945 roku będzie dostępny materiał do zbudowania jednej kolejnej bomby, a do końca września do kolejnych trzech.

Utrzymanie tajemnicy

Utrzymanie tak gigantycznego projektu w tajemnicy było jednym z największych wyzwań Projektu Manhattan. Generał Leslie Groves wdrożył rygorystyczne środki bezpieczeństwa i dezinformacji, aby zapobiec wyciekowi informacji do wrogich mocarstw, a także, co równie ważne, aby utrzymać morale społeczeństwa, które nie było świadome skali i celu przedsięwzięcia.

Podstawową zasadą bezpieczeństwa była fragmentacja informacji (ang. compartmentalization), czyli polityka „potrzeby wiedzy” (ang. need-to-know). Żaden pracownik nie miał pełnego obrazu projektu. Każdy znał tylko swoją małą, ściśle określoną część układanki. Na przykład, naukowcy w Los Alamos wiedzieli, jak zbudować bombę, ale nie znali dokładnych metod produkcji materiałów rozszczepialnych ani ich źródeł. Pracownicy w Oak Ridge i Hanford wiedzieli, jak produkować wzbogacony uran i pluton, ale nie znali ich ostatecznego przeznaczenia ani szczegółów konstrukcji bomby. Ta polityka skutecznie zapobiegała wyciekom całościowych informacji.

Same nazwy ośrodków i projektu były kryptonimami i kamuflażem. Nazwa „Manhattan Engineer District” sama w sobie sugerowała projekt inżynieryjny, a nie zbrojeniowy. Ośrodki takie jak Los Alamos były przedstawiane jako badawcze stacje meteorologiczne, laboratoria do badań nad amunicją, lub w przypadku Oak Ridge, fabryki produkujące nieokreślone materiały dla wojska. Wszelkie zapytania kierowane do pracowników były odpierane ogólnikowymi odpowiedziami.

Kluczowe ośrodki, takie jak Los Alamos, Oak Ridge i Hanford, były budowane w odległych, trudno dostępnych miejscach, często na terenach wykupionych przez rząd i wysiedlonych. Były to praktycznie zamknięte miasta, otoczone płotami z drutu kolczastego i strzeżone przez tysiące uzbrojonych żołnierzy, którzy nie mieli wiedzy czego tak naprawdę strzegą. Wejścia i wyjścia były ściśle kontrolowane, a mieszkańcy poddawani nieustannemu nadzorowi.

Cała korespondencja wewnątrz ośrodków i na zewnątrz była cenzurowana. Rozmowy telefoniczne były monitorowane. Pracownikom surowo zabraniano rozmawiać o swojej pracy poza terenem ośrodka, nawet z członkami własnych rodzin. W przypadku jakichkolwiek pytań ze strony bliskich, mieli odpowiadać, że pracują dla rządu i nie mogą ujawnić szczegółów. Wiele rodzin żyło w całkowitej nieświadomości, czym zajmują się ich bliscy.

Celowo rozpowszechniano dezinformację i plotki na temat celów projektu, aby zmylić potencjalnych szpiegów i zdezorientować pracowników. Na przykład, w Oak Ridge krążyły plotki, że fabryki produkują super-samoloty, nowe materiały wybuchowe, a nawet… whisky. Wszyscy pracownicy przechodzili rygorystyczne weryfikacje bezpieczeństwa prowadzone przez agencje wywiadowcze. Agenci kontrwywiadu byli obecni we wszystkich ośrodkach, monitorując zachowania, rozmowy i lojalność pracowników. Niektórzy naukowcy, tacy jak Oppenheimer, pomimo wysokiej pozycji, byli śledzeni i mieli podsłuchiwane rozmowy.

Amerykanie ściśle współpracowali z brytyjskim wywiadem, aby monitorować postępy niemieckiego programu atomowego i zapobiegać szpiegostwu. Wielu brytyjskich naukowców (np. grupa Kima Philby’ego) było również zaangażowanych w amerykański program. Mimo tych drastycznych środków, Związek Radziecki zdołał pozyskać kluczowe informacje na temat programu dzięki siatce szpiegowskiej (m.in. Klaus Fuchs, niemiecki fizyk pracujący w Los Alamos; David Greenglass, technik z Los Alamos; Ted Hall, młody fizyk z Los Alamos, oraz Julius i Ethel Rosenbergowie, którzy przekazywali plany), co znacznie przyspieszyło rozwój ich własnego programu nuklearnego po wojnie. Fakt ten ujawnił się dopiero po latach i był przedmiotem intensywnych dochodzeń w okresie zimnej wojny, prowadząc do procesów i egzekucji (np. Rosenbergów w 1953 roku).

Próba Trinity

Kulminacyjnym punktem Projektu Manhattan była pierwsza na świecie próbna detonacja bomby atomowej. Po raz pierwszy pomysł jej przeprowadzenia pojawił się w styczniu 1944 roku. Operacja była bardzo istotna, ponieważ aż do jej przeprowadzenia naukowcy nie mieli pewności co do faktycznej skuteczności prowadzonych przez nich działań. Obawiano się, że mimo teoretycznego potwierdzenia całej koncepcji budowy bomby atomowej, w praktyce okaże się ona porażką. Co równie istotne, próba ta była bardzo kosztowna materiałowo, ponieważ wymagała zużycia cennego materiału rozszczepialnego, którego w 1945 roku jeszcze było zbyt mało na budowę wielu bomb.

Ważnym elementem przygotowań do tej próby było znalezienie odpowiedniego miejsca na detonację. Wybrano je ostatecznie 7 września 1944 roku. Był to poligon Alamogordo w Nowym Meksyku, w miejscu znanym jako Jornada del Muerto (pol. Droga Umarłego), około 56 km na południowy wschód od Socorro. Formalnie miejsce to miało być maksymalnie odizolowane od świata, ale w praktyce, w promieniu 240 km od miejsca eksplozji znajdowało się prawie pół miliona mieszkańców.

Operacja otrzymała kryptonim „Trinity” i odbyła się 16 lipca 1945 roku o godzinie 5:29:45 czasu lokalnego na poligonie Alamogordo. Testowany ładunek, nazwany „Gadget”, był prototypem bomby plutonowej typu implozyjnego, o identycznej konstrukcji jak zastosowana później w bombie zrzuconej na Nagasaki. „Gadget” został umieszczony na stalowej wieży o wysokości około 30 m, aby symulować detonację na wysokości, która zapewniłaby maksymalne zniszczenie (optymalna wysokość eksplozji jądrowej to taka, przy której kula ognia nie dotyka ziemi, minimalizując opad radioaktywny, a jednocześnie fala uderzeniowa maksymalizuje swoje działanie). Wokół miejsca detonacji rozmieszczono liczne instrumenty pomiarowe – około 50 kamer o wysokiej prędkości zdolne do rejestrowania 10 000 klatek na sekundę, czujniki ciśnienia, detektory promieniowania, mikrofony i spektrografy – aby zebrać jak najwięcej danych naukowych o nowej broni. Obszar testowy był otoczony bunkrami i stanowiskami obserwacyjnymi, z których naukowcy i wojskowi, w tym Oppenheimer, Groves, Fermi, Vannevar Bush, James Conant i wielu innych, obserwowali wydarzenie z bezpiecznej odległości (około 16-32 km).

Ostatnie odliczanie odbywało się w ogromnym napięciu. Prognoza pogody była niepewna, a także istniało ryzyko, że deszcz mógłby spowodować znaczny opad radioaktywny, zagrażając pobliskim miejscowościom. Ostatecznie, pomimo burzy, zdecydowano się na detonację. Eksplozja była niesamowita. Powstała kula ognia, która w ułamku sekundy osiągnęła średnicę kilkuset metrów i temperaturę szacowaną na miliony stopni Celsjusza. Światło eksplozji było tak intensywne, że przez chwilę oświetliło okolicę jaśniej niż słońce w ciągu dnia i było widoczne z odległości ponad 400 km (nawet z Los Angeles). Następnie rozległ się potężny huk, słyszalny z odległości ponad 160 km, a po nim uformował się charakterystyczny grzyb atomowy, który wzniósł się na wysokość ponad 12 km, przebijając warstwę troposfery.

Szacowana moc wybuchu wynosiła około 21 kiloton TNT, co oznaczało, że detonacja była dwukrotnie silniejsza niż przewidywano. Miejsce detonacji uległo całkowitemu zniszczeniu – wieża wyparowała, a w jej miejscu powstał krater o średnicy około 80 m i głębokości 2,5 m. Pustynny piasek stopił się pod wpływem ekstremalnego ciepła, tworząc szklisty, radioaktywny minerał nazwany trinititem, który do dziś można znaleźć na poligonie. Obserwatorzy byli wstrząśnięci siłą eksplozji. Robert Oppenheimer, patrząc na grzyb atomowy, wspominał później słowa z hinduskiej księgi Bhagawadgita: „I stałem się śmiercią, niszczycielem światów.” Inni wspominali ciszę, która nastąpiła po początkowym huku i światło, które rozświetliło niebo, wcześniej ciemne od poranka, co wywoływało poczucie surrealizmu.

Plany wykorzystania amerykańskiej bomby atomowej

Decyzja o użyciu bomby atomowej była złożona i budziła kontrowersje zarówno w czasie wojny, jak i po niej. Po sukcesie próby Trinity, prezydent Harry S. Truman (który przejął urząd po śmierci Roosevelta 12 kwietnia 1945 roku) i jego doradcy stanęli przed trudnym wyborem. W lipcu 1945 roku, podczas konferencji w Poczdamie, Truman poinformował Stalina o posiadaniu przez USA „nowej, potężnej broni”, choć bez szczegółów.

Ze względu na sytuację na froncie w Europie, jeszcze przed próbą Trinity całkowicie odrzucono koncepcję wykorzystania nowej broni w Niemczech. Nie było bowiem ku temu żadnych powodów, ponieważ wojna i tak dobiegała końca. Zamiast tego skupiono się na możliwości jej wykorzystania w Japonii. Spodziewano się bowiem, że zmuszenie Japonii do kapitulacji wymagałoby trudnego do przeprowadzenia i bardzo kosztownego desantu na Wyspy Japońskie. Spodziewano się, że taki desant wiązałby się z wyjątkowo zaciekłymi i krwawymi walkami. Amerykanie nie chcieli angażować się w takie działania, zwłaszcza po kapitulacji Niemiec, kiedy społeczeństwo oczekiwało szybkiego zakończenia wojny.

Istniały cztery główne opcje dotyczące wykorzystania bomby:

1. Zrzucenie bez ostrzeżenia na miasto: Ta opcja została wybrana, aby zmaksymalizować szok i przyspieszyć kapitulację. Argumentowano, że formalne ostrzeżenie mogłoby skutkować przeniesieniem jeńców wojennych do wyznaczonych miast lub próbą zestrzelenia samolotu.
2. Zrzucenie na cel wojskowy/przemysłowy z ostrzeżeniem: Miało to dać Japonii szansę na kapitulację.
3. Zrzucenie na niezamieszkany obszar (pokaz siły): Ta opcja była popierana przez wielu naukowców (np. Leo Szilard, James Franck), którzy chcieli uniknąć masowych ofiar cywilnych i ostrzec świat o potędze nowej broni. Jednak obawiano się, że pokaz nie będzie wystarczająco przekonujący.
4. Nie używać w ogóle: Ta opcja, zakładająca ujawnienie informacji o bombie, ale bez jej wykorzystania. choć etycznie najbardziej pożądana dla niektórych, była odrzucana przez dowództwo wojskowe, które chciało szybko zakończyć wojnę i uniknąć inwazji lądowej.

Ostatecznie, decyzja o użyciu bomby atomowej na cele miejskie została podjęta przez Trumana i jego tymczasowy komitet doradczy (ang. Interim Committee). Głównym celem było zmuszenie Japonii do bezwarunkowej kapitulacji i uniknięcie kosztownej i krwawej inwazji lądowej na Wyspy Japońskie, operacji „Olympic” i „Coronet”, które według szacunków generała George’a Marshalla, mogłaby pochłonąć od 250 000 do nawet miliona ofiar po stronie alianckiej i znacznie więcej ofiar japońskich. Długotrwałe oblężenie i walki o Japonię mogłyby trwać do 1946 roku, prowadząc do dalszych ofiar i zniszczeń. Dodatkowo, istniały obawy związane z rosnącymi wpływami Związku Radzieckiego w Azji po jego przystąpieniu do wojny z Japonią 8 sierpnia 1945 roku.

Zrzucenie bomb atomowych na Japonię

Rankiem 6 sierpnia 1945 roku o godzinie 8:15 czasu lokalnego, bomba uranowa „Little Boy” (o mocy około 15 kiloton TNT), zrzucona z bombowca Boeing B-29 Superfortress o nazwie „Enola Gay” (pilotowanego przez pułkownika Paula Tibbetsa z 509. Composite Group, specjalnie szkolonej do przeprowadzania ataków atomowych), eksplodowała na wysokości około 600 m nad Hiroszimą. Było to miasto o dużym znaczeniu wojskowym (kwatera główna Drugiej Armii Generalnej) i przemysłowym, z licznymi fabrykami i magazynami.

Bezpośrednio w wyniku wybuchu i jego skutków (fala uderzeniowa, fala cieplna o temperaturach sięgających milionów stopni Celsjusza w epicentrum, promieniowanie jonizujące) zginęło natychmiast od 70 000 do 80 000 osób. Obszar o promieniu około 2 km od epicentrum został doszczętnie zniszczony. Do końca roku 1945 liczba ofiar, wliczając tych, którzy zmarli z powodu poparzeń, obrażeń mechanicznych i ostrej choroby popromiennej, wzrosła do około 140 000.

Trzy dni później, 9 sierpnia 1945 roku o godzinie 11:02 czasu lokalnego, bomba plutonowa „Fat Man” (o mocy około 21 kiloton TNT), zrzucona z B-29 o nazwie „Bockscar” (pilotowanego przez majora Charlesa Swinneya), eksplodowała na wysokości około 500 m nad Nagasaki. Pierwotnym celem nalotu było miasto Kokura, ale zła pogoda i niewystarczająca widoczność zmusiły załogę do zmiany celu na Nagasaki, drugorzędny cel na liście. Nagasaki było ważnym ośrodkiem przemysłowym, z dużymi zakładami Mitsubishi. Mimo że bomba spadła w dzielnicy przemysłowej, ukształtowanie terenu (miasto położone w dolinach otoczonych wzgórzami) częściowo ograniczyło zasięg fali uderzeniowej. W wyniku ataku zginęło natychmiast od 35 000 do 40 000 osób, a do końca roku liczba ofiar wzrosła do około 70 000.

Kapitulacja Japonii nastąpiła 15 sierpnia 1945 roku (formalnie podpisana 2 września 1945 roku na pokładzie USS Missouri), zaledwie kilka dni po atakach atomowych i równoległym wejściu Związku Radzieckiego do wojny przeciwko Japonii. Decyzja o użyciu broni atomowej do dziś pozostaje jednym z najbardziej kontrowersyjnych wydarzeń w historii, z ciągłymi debatami na temat jej moralnej zasadności i konieczności. Wielu historyków uważa, że ataki atomowe były decydującym czynnikiem, który skłonił japoński cesarski sztab generalny do kapitulacji, podczas gdy inni twierdzą, że to rosyjskie atak sprawił, że władze Japonii zdecydowały się na kapitulację, nie widząc wyjścia z zaistniałej sytuacji.

Znaczenie Projektu Manhattan

Projekt Manhattan, mimo swojego destrukcyjnego celu, stał się kamieniem milowym w historii nauki, technologii i stosunków międzynarodowych. W związku z tym miał olbrzymi wpływ zarówno na rozwój broni atomowej oraz wielu innych technologii, oraz przede wszystkim na przebieg Zimnej Wojny i dalszy los świata.

Niezależnie od debaty historycznej, powszechnie uznaje się, że użycie broni atomowej przyspieszyło kapitulację Japonii, co zakończyło działania wojenne na Pacyfiku i całą II wojnę światową, potencjalnie ratując życie setek tysięcy żołnierzy, którzy mogliby zginąć w inwazji lądowej. Skróciło to wojnę i zapobiegło dalszym cierpieniom i zniszczeniom. Potencjalne straty ludzkie w przypadku inwazji byłyby zdecydowanie większe niż łączne straty w wyniku zrzucenia dwóch bomb.

Projekt Manhattan otworzył również zupełnie nowy rozdział w historii ludzkości – erę atomową. Broń jądrowa stała się czynnikiem decydującym o równowadze sił na świecie, wprowadzając koncepcję wzajemnego gwarantowanego zniszczenia (ang. MAD – Mutually Assured Destruction), która miała zapobiegać bezpośrednim konfliktom między mocarstwami nuklearnymi poprzez strach przed całkowitym zniszczeniem. Sukces USA w budowie bomby atomowej natychmiast uruchomił intensywny wyścig zbrojeń, zwłaszcza między Stanami Zjednoczonymi a Związkiem Radzieckim. ZSRR zdetonował swoją pierwszą bombę atomową (RDS-1) 29 sierpnia 1949 roku, zaledwie cztery lata po Trinity, co w dużej mierze było możliwe dzięki informacjom pozyskanym przez siatkę szpiegowską. Ten wyścig zbrojeń stał się kluczowym elementem Zimnej Wojny, definiując geopolitykę na następne dziesięciolecia i prowadząc do opracowania coraz potężniejszych ładunków, w tym bomby wodorowej, której testy rozpoczęły się w 1952 roku.

Ponadto, aby osiągnąć cel Projektu Manhattan, konieczne było dokonanie przełomów w wielu dziedzinach. Rozwinięto nowe techniki w fizyce jądrowej (badania nad neutronami, reakcjami łańcuchowymi, fizyką wysokich energii), inżynierii materiałowej (obróbka nietypowych metali, takich jak uran i pluton, rozwój nowych stopów i materiałów odpornych na promieniowanie), metalurgii (produkcja i formowanie materiałów o wysokiej czystości), chemii (separacja izotopów na skalę przemysłową, reprocessing paliwa jądrowego), fizyce wysokich ciśnień (mechanizmy implozji, projektowanie soczewek wybuchowych) oraz w początkach informatyki (rozwój pierwszych maszyn liczących, takich jak ENIAC, oraz technik numerycznych do skomplikowanych obliczeń fizycznych).

Wiele technologii i procesów opracowanych na potrzeby programu znalazło później zastosowanie w cywilnych sektorach, zwłaszcza w energetyce jądrowej (reaktory do produkcji energii elektrycznej, początek programu „Atoms for Peace” w 1953 roku, który promował pokojowe zastosowania energii atomowej na świecie), medycynie (izotopy medyczne do diagnostyki i terapii, radioterapia, skanowanie PET) oraz w badaniach naukowych w wielu innych dziedzinach.

Projekt Manhattan po wojnie

Po zakończeniu II wojny światowej i zrzuceniu bomb na Hiroszimę i Nagasaki, Projekt Manhattan uległ naturalnej ewolucji. Już 1 stycznia 1947 roku, jego funkcje cywilne i wojskowe przejęła nowo utworzona Komisja Energii Atomowej Stanów Zjednoczonych (Atomic Energy Commission – AEC). AEC była odpowiedzialna za:

• Dalszy rozwój i kontrolę broni jądrowej: Kontynuowano badania nad nowymi typami broni, w tym nad znacznie potężniejszymi bombami wodorowymi (termojądrowymi), których pierwsza próba („Ivy Mike”) miała miejsce 1 listopada 1952 roku na atolu Enewetak. AEC nadzorowała również rozwój i produkcję arsenału jądrowego USA i utrzymywała jego gotowość bojową przez całą zimną wojnę, prowadząc liczne testy nuklearne.
• Promocję cywilnych zastosowań energii atomowej: AEC aktywnie wspierała badania i rozwój technologii związanych z pokojowym wykorzystaniem energii jądrowej, prowadząc do budowy pierwszych elektrowni jądrowych (takich jak Shippingport Atomic Power Station, uruchomiona w 1957 roku, pierwsza pełnowymiarowa elektrownia jądrowa w USA) i rozwijania zastosowań izotopów w przemyśle, rolnictwie i medycynie (np. w diagnostyce i leczeniu nowotworów).

Laboratoria, takie jak Los Alamos, Oak Ridge i Hanford, kontynuowały swoją działalność, stając się kluczowymi ośrodkami amerykańskiego programu jądrowego przez całą zimną wojnę i później. Ich cele uległy jednak modyfikacji, skupiając się na utrzymaniu przewagi technologicznej w dziedzinie broni jądrowej, jednocześnie rozwijając zastosowania pokojowe. Wielu naukowców zaangażowanych w Projekt Manhattan kontynuowało pracę w tych ośrodkach, ale jednocześnie stali się ważnymi adwokatami kontroli zbrojeń i rozbrojenia, uświadomieni potęgą i zagrożeniami stworzonej przez siebie broni. Powstały organizacje takie jak Bulletin of the Atomic Scientists, założony w 1945 roku przez naukowców Projektu Manhattan, który od 1947 roku publikuje symboliczny „Zegar Zagłady” (ang. Doomsday Clock), odzwierciedlający stopień zagrożenia dla ludzkości.

Podsumowanie

Gdy Projekt Manhattan ruszał, naukowcy w niego zaangażowani mimo swojej wiedzy, nie mieli pewności czy w wyniku ich prac powstanie nowa, potężna broń, czy też okaże się on porażką. Ostatecznie dzięki niespotykanemu wcześniej zaangażowaniu środków i ludzi, udało im się stworzyć broń atomową, która na stałe zmieniła świat.

Pośrednio, dzięki temu projektowi rozwinęły się również liczne cywilne technologie i rozwiązania, z których bez wątpienia najważniejszym było powstanie elektrowni jądrowych, zapewniających olbrzymie ilości energii, która mimo swoich potencjalnych zagrożeń (skażenie radioaktywne) jest o wiele lepsza dla środowiska niż elektrownie wykorzystujące paliwa kopalne.

W tym wszystkim pozostaje jednak pytanie, na które nigdy nie poznamy odpowiedzi – czy broń atomowa przyśpieszyła zakończenie II wojny światowej, czy też nie…