Лоуренс предпринял в Беркли попытку разделить в природном уране изотопы 235 и 238, используя принцип действия масс-спектрографа – лабораторного прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Предварительно ионизованные атомы ускоряются электрическим полем, а затем пропускаются через магнитное поле, в котором они описывают полуокружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий пропорциональны произведению массы на скорость, легкие ионы оказываются на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые ионы. Если в этой плоскости поместить фотопластинку, то каждой химической группе атомов будет соответствовать отрезок прямой, а различным изотопам элемента – семейство прямых, распределенных в виде спектра (отсюда – название масс-спектрографа). Если же вместо пластинки поместить накопительные устройства, то можно раздельно собирать различные изотопы.
Но масс-спектрограф может накопить не более, миллионных долей грамма в день, а речь шла о добыче килограммов урана-235. Необходимость экстраполяции метода масс-спектрографа на большие масштабы натолкнулась на множество трудностей. Работать с газообразными соединениями урана весьма затруднительно, потому что в большом потоке ионов возбуждаются паразитные электрические эффекты, препятствующие разделению изотопов.
Оппенгеймер добровольно предложил Лоуренсу свое сотрудничество. Он внес предложение, которое позволило сэкономить три четверти средств, ассигнованных на разработку этого метода. Был сконструирован калютрон (циклотрон Калифорнийского университета), который использовался на гигантском заводе в Ок-Ридже вместе с другими установками для разделения изотопов.
Эффективная помощь, оказанная добровольно Оппенгеймером Лоуренсу, не могла остаться не замеченной руководителями работ по созданию ядерного оружия. Осенью 1941. года лауреат Нобелевской премии Комптон пригласил его принять участие в работе специальной комиссии Национальной академии наук, которая в течение двух дней обсуждала проблемы использования атомной энергии в военных целях. Через несколько месяцев эпизодическое участие Оппенгеймера в работе комиссии перешло в постоянное сотрудничество.
В июле Оппенгеймер взял на себя руководство группой теоретической физики, которая упорно продолжала искать наилучшую модель ядерной бомбы. Именно тогда и именно в этой группе впервые была серьезно исследована возможность высвобождения ядерной энергии в процессе, который можно, в известном смысле, считать обратным делению урана, – в процессе синтеза легких ядер, в частности водорода. Мы уже знаем, что дефект массы достигает максимума для элементов среднего атомного веса, находящихся в середине таблицы Менделеева. Этим объясняется то, что деление более тяжелых ядер, дающее средние ядра, сопровождается выделением энергии, соответствующей потерянной массе. Однако если использовать элементы с другого края таблицы, то оказывается, что при синтезе легких ядер (таких, как водород), образующих ядра более тяжелых элементов, также происходит переход к повышению дефекта массы, сопровождающийся выделением энергии. Этот тип ядерной реакции порождает энергию, испускаемую Солнцем и другими звездами. Оппенгеймер и его сотрудники установили, что осуществление взрывной реакции ядерного синтеза теоретически возможно, но потребует решения таких проблем, которыми следует заняться несколько позднее.
Соединенные Штаты вступили в войну; обстановка требовала решительных действий; перспектива создания урановой бомбы прояснялась с каждым днем, и та из воюющих сторон, которая первой стала бы обладательницей такой бомбы, могла быть уверена в своей полной победе.
В августе 1942 года в результате соглашения с английским правительством американской армии было официально поручено организовать совместную работу английских и американских ученых-атомников в направлении использования атомной энергии в военных целях; все исследовательские группы стали работать по одному плану, получившему название «Манхэттенский проект».
Эта централизация вполне отвечала личным планам Оппенгеймера. Он считал даже, что она не должна ограничиваться административными вопросами. Работая с учеными-атомниками, Оппенгеймер убедился, что было потеряно драгоценное время из-за разобщенности ученых и отсутствия координации между лабораториями и исследовательскими центрами. В различных местах производились одинаковые опыты; теоретикам приходилось изучать результаты, полученные далеко от места их работы; бесчисленными техническими проблемами практического изготовления атомной бомбы занимались в США, Канаде и Великобритании. Оппенгеймер мечтал собрать всех этих людей в одной лаборатории, в неком атомном центре, где специалисты всех отраслей физики работали бы под единым руководством над созданием атомной бомбы.