Через некоторое время Дмитрий Иванович получает от сына рукопись статьи по теоретической физике — листы, заполненные сложными формулами, символика векторного анализа. Дмитрий Иванович показывает эту работу своему другу А. М. Лопшицу, математику, специалисту по векторному и тензорному анализам. Тот понял, что в работе есть незаурядное физическое содержание, и передал рукопись Игорю Евгеньевичу Тамму. Последовал вызов Андрея Дмитриевича в столицу и поступление в аспирантуру Физического института Академии наук (1945—1947 гг.). С 1950 года Андрей Дмитриевич работал в нашем институте. «Последние двадцать лет — непрерывная работа в условиях сверхсекретности и сверхнапряженности сначала в Москве, затем в специальном научно-исследовательском центре. Все мы были тогда убеждены в жизненной важности этой работы для равновесия сил во всем мире и увлечены ее грандиозностью»,— так писал об этом времени Андрей Дмитриевич.
Однажды Я. Б. Зельдович сказал мне: «Завидую Андрею Сахарову. Мой мозг устроен так, что может работать как хорошо отлаженная, быстродействующая электронно-вычислительная машина. Но эта машина работает только по заранее составленной программе. Мозг же Андрея Дмитриевича сам задает себе программу».
В 1953 году в возрасте 32 лет Сахаров избран действительным членом Академии наук по физико-математическому отделению. Представлявший его академик И. В. Курчатов сообщил на собрании отделения: «Этот человек сделал для обороны нашей Родины больше, чем мы все, присутствующие здесь». На отделении Андрей Дмитриевич получил требуемое число голосов с первого голосования. Это был самый молодой академик. За свой вклад в создание оборонной мощи Советского Союза А. Д. Сахаров был удостоен званий лауреата Государственных премий, лауреата Ленинской премии и трижды — в 1953, 1956 и 1962 годах — Героя Социалистического Труда.
Принадлежность к высшей научной иерархии создавала для Андрея Дмитриевича и нескольких других руководителей необычные, иногда комические ситуации. Каждый из них являлся охраняемой собственностью государства. Функции охраны выполняли вооруженные телохранители, неотступно сопровождавшие их на работу, на прогулки, в магазин, в гости. Было занятно видеть задумавшегося Андрея Дмитриевича, шагающего в сопровождении конвоя.
В 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров пришли к идее магнитной термоизоляции плазмы для получения управляемой термоядерной реакции. Они вплотную подошли к решению величественной проблемы XX века. По словам Тамма, «Сахаровым не только была выдвинута основная схема метода, согласно которой можно надеяться осуществить управляемые термоядерные реакции, но были проведены также и обширные теоретические исследования свойств высокотемпературной плазмы, ее устойчивости и т. д.». В результате многолетних усилий большого коллектива советских ученых была создана система «Токамак», признанная сейчас оптимальной. Она наиболее близка к первоначальной идее Сахарова и Тамма.
В те же годы Андреем Дмитриевичем предложена магнитная кумуляция. Это новое явление заключается в концентрации магнитного поля, позволяющей в сотни и тысячи раз увеличить его начальную интенсивность. В простейшем случае МК-генератор представляет собой заряд взрывчатого вещества в виде цилиндра, который помещается снаружи соленоида, намотанного на полый металлический цилиндр. До взрыва заряда соленоид создает первичное магнитное поле. При взрыве заряда происходит сжатие цилиндра. Напряженность магнитного поля из-за сохранения магнитного потока возрастает во столько раз, во сколько уменьшается сечение сжатого взрывом цилиндра.
Первые эксперименты по магнитной кумуляции, проведенные весной 1952 года, подтвердили бесспорную перспективность этого направления. В первом же опыте магнитное поле увеличилось в 25 раз по сравнению с первоначальным. В экспериментах 50-х годов получались магнитные поля напряженностью пять миллионов гаусс. Позднее, применив усовершенствованные МК-генераторы, были созданы воспроизводимые сверхсильные магнитные поля, превышающие десять миллионов гаусс. В настоящее время разработка различных взрывомагнитных генераторов (взрывных динамомашин) развилась в самостоятельное направление. Получены импульсные токи амплитудой до 300 миллионов ампер.
Теоретическая физика была первой любовью Андрея Дмитриевича. Он остался ей верен на всю жизнь. «Больше всего на свете я люблю реликтовое излучение, доносящее до нас информацию о первых мгновениях существования Вселенной». Андрей Дмитриевич внес существенный вклад в фундаментальные проблемы физики и космологии. Основополагающей стала его работа, посвященная фундаментальной проблеме строения нашей Вселенной,— вопросу о том, почему в ней вещество преобладает над антивеществом, или, как говорят физики, вопросу барионной асимметрии Вселенной. Если бы Вселенная была симметричной, число частиц в ней равнялось бы числу античастиц, при столкновении они бы взаимно уничтожались (аннигилировали), и вместо окружающей нас материи и нас с вами существовали бы одни кванты света. Почему же возникла «спасительная» барионная асимметрия Вселенной? В рамках традиционных представлений это было необъяснимо. В своей работе 1967 года Андрей Дмитриевич выдвинул революционную идею о распаде протона, о его неустойчивости. Речь идет о времени жизни этого основного «кирпичика» мироздания, которое в миллиарды миллиардов раз больше времени существования Вселенной. По теории Сахарова оказалось, что этот очень слабый эффект объясняет, почему в первые мгновения возникновения Вселенной не произошло полного взаимного уничтожения материи и антиматерии и возник небольшой остаток протонов, достаточный для образования всех галактик, звезд и планет.