La storia della bomba atomica non iniziò con un lampo di luce in un deserto, né nelle frenetiche manovre dei governi in tempo di guerra. Iniziò, piuttosto silenziosamente, nei laboratori ovattati e nelle aule delle lezioni dell'Europa di fine Ottocento e inizio Novecento. Fu un'epoca di profonda rivoluzione scientifica, in cui certezze a lungo consolidate sulla natura del mondo fisico venivano sistematicamente smantellate. Per secoli, l'atomo — dal greco atomon, che significa "indivisibile" — fu considerato l'ultimo, indivisibile costituente della materia. Questa comoda nozione stava per essere infranta, spianando la strada a un'era di potenza e pericolo senza precedenti.
La prima crepa nell'edificio classico apparve nel 1896. In un laboratorio di Parigi, Henri Becquerel stava indagando le proprietà dei sali di uranio, sperando di trovare un collegamento tra l'inquietante bagliore della fosforescenza e i raggi X appena scoperti. Il suo esperimento prevedeva di esporre i sali alla luce solare per poi posarli su una lastra fotografica avvolta in carta nera. Una settimana, frustrato dal cielo coperto di Parigi, ripose l'uranio e la lastra avvolta in un cassetto. Per un capriccio, decise di sviluppare la lastra comunque e rimase sbalordito nel trovarvi un'immagine chiara e intensa. L'uranio stava emettendo i propri raggi penetranti senza alcuna stimolazione esterna.
La scoperta accidentale della "radioattività" da parte di Becquerel affascinò una giovane fisica polacca di nome Marie Curie. Lei e suo marito, Pierre, iniziarono un'indagine sistematica su questo strano nuovo fenomeno. Scoprirono che anche l'elemento torio era radioattivo e, attraverso uno sforzo meticoloso, isolarono due nuovi elementi potentemente radioattivi dal minerale di uranio: il polonio e il radio. Il loro lavoro dimostrò che certi elementi erano intrinsecamente instabili, i loro atomi si disintegravano spontaneamente e, nel farlo, rilasciavano energia. L'atomo non era, a quanto pareva, immutabile. Poteva cambiare, decadere e sputare pezzi di sé stesso.
Allo stesso tempo, un'altra rivoluzione stava covando in Germania. Nel 1900, il fisico Max Planck stava lottando per spiegare lo spettro di radiazione emesso da un assorbitore perfetto, un cosiddetto "corpo nero". La fisica classica non riusciva a prevedere i risultati sperimentali. In un atto di quella che lui stesso definì in seguito "disperazione tranquilla", Planck propose un'idea radicale: l'energia non veniva emessa in un flusso continuo, ma in pacchetti discreti, che chiamò "quanti". L'idea era così strana che lo stesso Planck non ne era del tutto a suo agio, ma funzionava perfettamente. Aveva posto le basi per la teoria quantistica, una nuova fisica che avrebbe governato il bizzarro mondo dell'infinitamente piccolo.
Appena cinque anni dopo, un giovane impiegato all'ufficio brevetti di Berna, in Svizzera, di nome Albert Einstein pubblicò una serie di articoli che avrebbero alterato per sempre la comprensione umana dell'universo. In questo "anno miracoloso" del 1905, Einstein spiegò l'effetto fotoelettrico estendendo l'idea quantistica di Planck alla luce stessa, proponendo che la luce potesse comportarsi come una particella. Sviluppò anche la sua teoria della relatività ristretta, che cambiò fondamentalmente i nostri concetti di spazio e tempo. Nascosto in quest'ultimo lavoro c'era una conseguenza sorprendente della sua nuova meccanica: un breve addendum contenente l'equazione più famosa della storia: E=mc².
L'equazione era una dichiarazione elegante e profonda sulla natura della realtà. Dichiarava che l'energia (E) e la massa (m) erano due facce della stessa medaglia, intercambiabili a un tasso governato dal quadrato della velocità della luce (c). Poiché la velocità della luce è un numero immenso, l'equazione implicava che una minuscola quantità di massa potesse essere convertita in una tremenda quantità di energia. All'epoca, era un'intuizione puramente teorica; nessuno sapeva come una tale conversione potesse essere realizzata. Ma l'equazione era una profezia, che alludeva a un deposito di energia inimmaginabile racchiuso nel cuore dell'atomo.
Mentre i teorici riscrivevano le leggi della fisica, gli sperimentatori erano impegnati a cercare di mappare la struttura interna dell'atomo. Nel 1897, il fisico britannico J.J. Thomson aveva scoperto l'elettrone, una minuscola particella carica negativamente, dimostrando che l'atomo era effettivamente divisibile. Propose un modello a "budino di prugne", con elettroni negativi sparsi in una sfera di carica positiva, come uvette in un dolce. Era un'ipotesi ragionevole, ma non sarebbe durata a lungo.
L'uomo che avrebbe demolito il budino di prugne fu uno degli ex allievi di Thomson, un rumoroso neozelandese di nome Ernest Rutherford. Nel 1909, all'Università di Manchester, Rutherford stava conducendo esperimenti che prevedevano di sparare un flusso di particelle alfa cariche positivamente contro un foglio d'oro molto sottile. Secondo il modello di Thomson, la carica positiva diffusa degli atomi d'oro avrebbe dovuto permettere alle particelle alfa di passare dritte attraverso con solo lievi deviazioni. E la maggior parte lo fece. Ma alcune — circa una su ottomila — rimbalzarono indietro con angoli sorprendenti.
Rutherford rimase completamente sbalordito. In seguito osservò famosamente: "Fu quasi incredibile come se aveste sparato un proiettile da 15 pollici contro un pezzo di carta velina e questo tornasse indietro colpendovi". L'unico modo per spiegare questo risultato era che la carica positiva dell'atomo e quasi tutta la sua massa fossero concentrate in un nucleo minuscolo, incredibilmente denso, al suo centro. Rutherford aveva scoperto il nucleo atomico. L'atomo non era un budino di prugne; era un sistema solare in miniatura, con un massiccio "sole" centrale — il nucleo — orbitato da elettroni leggeri.
Il modello di Rutherford fu un enorme passo avanti, ma aveva i suoi problemi. Secondo la fisica classica, un elettrone in orbita avrebbe dovuto irradiare energia continuamente, avvitarsi verso l'interno e collassare nel nucleo in una frazione di secondo. Chiaramente, gli atomi erano stabili, quindi qualcosa non andava. Tocché a un giovane fisico danese nel laboratorio di Rutherford, Niels Bohr, risolvere l'enigma. Nel 1913, Bohr fuse genialmente il modello nucleare di Rutherford con la teoria quantistica di Planck. Propose che gli elettroni potessero esistere solo in orbite specifiche e discrete o livelli energetici, e che potessero saltare tra queste orbite assorbendo o emettendo un quanto di energia. Il modello di Bohr era un strano ibrido di idee classiche e quantistiche, ma spiegava con successo lo spettro della luce emessa dall'idrogeno e portava un nuovo livello di comprensione all'atomo.
Il quadro dell'atomo stava diventando più chiaro, ma il nucleo stesso rimaneva un mistero. Rutherford aveva mostrato nel 1919 che il nucleo dell'atomo di idrogeno, che chiamò protone, era una particella fondamentale e un costituente di altri nuclei. Ma la carica positiva del protone da sola non poteva spiegare la massa completa dei nuclei più pesanti. Rutherford sospettava l'esistenza di un'altra particella nel nucleo, una con una massa simile al protone ma senza carica elettrica. La chiamò "neutrone".
La ricerca di questa particella sfuggente durò più di un decennio. La svolta arrivò finalmente nel 1932 al Laboratorio Cavendish di Cambridge, sotto la direzione di Rutherford. James Chadwick, un fisico silenzioso e meticoloso, stava studiando una misteriosa radiazione emessa quando il berillio veniva bombardato con particelle alfa. I fisici francesi Frédéric e Irène Joliot-Curie avevano erroneamente identificato questa radiazione come raggi gamma ad alta energia. Chadwick, tuttavia, eseguì una serie di esperimenti accurati dimostrando che la radiazione consisteva di particelle senza carica con una massa quasi identica a quella del protone. Il neutrone era stato trovato.
La scoperta di Chadwick fu l'ultimo pezzo del puzzle atomico necessario per il prossimo grande balzo. Il neutrone, essendo elettricamente neutro, era il proiettile perfetto per sondare il nucleo. A differenza delle particelle alfa cariche positivamente, che venivano respinte dalla carica positiva del nucleo, il neutrone poteva infilarsi proprio all'interno. In tutta Europa, i fisici iniziarono immediatamente a usare questo nuovo strumento per vedere cosa potesse fare.
A Roma, un brillante fisico italiano di nome Enrico Fermi e il suo team iniziarono un programma sistematico di bombardamento di ogni elemento della tavola periodica con neutroni. Scoprirono che molti elementi diventavano radioattivi dopo aver assorbito un neutrone, e crearono dozzine di nuovi isotopi radioattivi. Il gruppo di Fermi fece anche una scoperta peculiare: un neutrone che era stato rallentato passando attraverso acqua o cera di paraffina aveva una probabilità di gran lunga maggiore di essere catturato da un nucleo rispetto a uno veloce. Questa scoperta dei "neutroni lenti" si sarebbe rivelata di immensa importanza. Quando il gruppo di Roma raggiunse l'elemento più pesante conosciuto, l'uranio, i loro esperimenti produssero una serie di nuove sostanze radioattive che credevano essere nuovi elementi "transuranici" più pesanti dell'uranio.
Tuttavia, questa interpretazione fu presto messa in discussione. La chimica tedesca Ida Noddack suggerì già nel 1934 che forse il nucleo di uranio si stava dividendo in elementi più leggeri, ma la sua idea fu largamente ignorata dalla comunità fisica. A Berlino, il radiochemico Otto Hahn e la fisica Lise Meitner, insieme al loro assistente Fritz Strassmann, conducevano esperimenti simili da anni. Il loro lavoro meticoloso mirava a identificare chimicamente i prodotti del bombardamento dell'uranio. Meitner, che era di origini ebraiche, fu costretta a fuggire dalla Germania dopo l'annessione dell'Austria nel luglio 1938, riparando in Svezia. Hahn e Strassmann continuarono il lavoro da soli, mantenendo una corrispondenza con Meitner.
Nel dicembre 1938, Hahn e Strassmann si trovarono di fronte a un risultato che sfidava tutta la fisica nucleare conosciuta. Dopo aver bombardato l'uranio con neutroni, trovarono costantemente tra i prodotti un elemento chimicamente indistinguibile dal bario. Questo era sconcertante; il bario è un elemento di peso medio, con poco più della metà della massa dell'uranio. Come poteva un minuscolo neutrone staccare un pezzo così massiccio? Hahn, un chimico scrupoloso, sentì di non avere scelta se non accettare l'evidenza, scrivendo in uno stato di confusione alla sua collega esiliata Meitner: "Forse tu puoi escogitare qualche spiegazione fantastica".
La lettera raggiunse Meitner in una piccola città della Svezia, dove suo nipote, il fisico Otto Frisch, la stava visitando per Natale. I due fecero una passeggiata nella neve, Meitner a piedi, Frisch sugli sci, meditando sull'assurdo risultato di Hahn. Si sedettero su un tronco e iniziarono a fare calcoli su fogli di carta straccia. Basandosi sul modello "a goccia liquida" del nucleo di Bohr, teorizzarono che l'assorbimento di un neutrone causasse l'instabilità e l'oscillazione del nucleo di uranio, allungandolo fino a dividerlo in due goccioline più piccole.
Frisch, prendendo in prestito un termine dalla biologia, battezzò il processo "fissione". Ma la parte più sbalorditiva della loro spiegazione arrivò quando Meitner calcolò l'energia che sarebbe stata rilasciata. Sommando le masse dei prodotti di fissione risultanti, scoprì che erano leggermente inferiori alla massa del nucleo di uranio originale. Questa massa mancante, calcolò usando E=mc² di Einstein, era stata convertita in energia — un enorme rilascio di circa 200 milioni di elettronvolt per atomo fissionato. Era una fonte di energia di ordini di grandezza superiore a qualsiasi reazione chimica.
Frisch si affrettò a tornare nel suo laboratorio a Copenaghen per condurre un esperimento che confermò rapidamente questo massiccio rilascio di energia. All'inizio del gennaio 1939, Niels Bohr stava per recarsi negli Stati Uniti. Frisch lo informò della loro scoperta proprio mentre Bohr stava salendo sulla nave. Attraverso l'Atlantico, la notizia si diffuse come un incendio nella comunità fisica americana. Gli esperimenti furono immediatamente replicati nei laboratori della Columbia University e altrove, confermando la scoperta tedesca e la spiegazione Meitner-Frisch.
Ma una possibilità ulteriormente più minacciosa era già stata prevista da Hahn e Strassmann nel loro secondo articolo ed era stata immediatamente riconosciuta dai fisici ovunque. Se la fissione di un nucleo di uranio non solo rilasciava una quantità enorme di energia, ma espelleva anche due o tre neutroni aggiuntivi, allora emergeva una prospettiva terrificante. Questi neutroni appena rilasciati avrebbero potuto, a loro volta, colpire altri nuclei di uranio, causandone la fissione e il rilascio di altri neutroni, e così via. Una "reazione a catena" auto-alimentata e a cascata era possibile. Una reazione incontrollata avrebbe potuto scatenare l'energia dell'atomo in un'unica, catastrofica esplosione. L'alba dell'era atomica era arrivata, e con essa l'ombra della bomba atomica.