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4时55分，天色已大白。“伊诺拉·盖伊”号同稍后起飞的两架随行的B－29型飞机，在硫黄岛上空会合了。
在紧急备用的硫黄岛机场上，有一架备用的B－29型轰炸机正在候命。负责安全的威廉·乌安纳少校正在等候着通知。蒂贝茨从飞机上用电话通知他说：“伙计，我们一切正常，正朝目标前进。”这意味着用不着备用飞机了。
在空中，3架B－29以大人字队形飞行，一路保持无线电寂静，向西北方向的日本四国岛飞去。
蒂贝茨通过机内通话器召唤全体机上乘员。他命令全体机组人员从这时起要坚守岗位，不得随便离位。一俟日本海岸进入视线，飞机上的录音系统就会自动录下所有机内的通话。
“这次任务将载入史册，”蒂贝茨说，“因此请各位说话要小心。我们飞机上带着世界上第一枚原子弹。”大部分机组成员，这才首次听到“原子”这个词。
广岛市面临毁灭
1945年4月罗斯福总统逝世后不久，美国陆军部长史汀生就敦促新总统杜鲁门成立委员会，研讨原子政策。这就是后来成立的“临时委员会”。“临时委员会”在报告中建议白宫尽快把原子弹投向日本，事前无须发出明确警告。
为了使首次原子弹轰炸达到最大效果，决定选一个直到当时差不多不曾遭轰炸过的日本城市为目标。那时可以考虑的日本城市有4个：京都、小仓、新泻和广岛。长崎是最后才加上去的。目标终于选定了。8月2日从关岛的美国战略空军司令部向提尼安岛的第509飞行大队发出一道作战密令，定于8月6日投放原子弹。首选目标：广岛市区及其工业区。
广岛位于日本本州东南沿海，是日本的第八大城市。该市已有12万平民疏散到农村，但市内还有28万居民，加上43000名军人和20000名被强征来的朝鲜劳工，共有34万人。广岛还是日本陆军第二总司令部所在地，又是一个重要的军港。
8月6日凌晨，提尼安时间1时37分，蒂贝茨的第509飞行大队派出了3架B－29型飞机，作为先遣的气象观测机，从提尼安的岛北机场起飞，分别前往日本的广岛、小仓和长崎上空，进行气象侦察。如果发现首选目标广岛上空被云层覆盖，携带原子弹的飞机将飞往其他两个后备城市中气象条件好的一个。
名为“同花顺”号的气象观测机于当地时间7时09分飞近广岛市郊区。极目所及，下面是一片云海，城市被密云遮盖着。不过，几分钟后，云层散开，广岛全景呈现眼前。在计划指定的投弹地点，下面的城市异常清楚，机员甚至可以看见一片片草地。在密盖日本的一片云海中，竟有个16公里的缺口，广岛完全暴露出来，好像命运之神已经一箭射中该市心脏似的。
7时25分，气象观察机离开广岛向基地提尼安返航。它在归途遇到零星高射炮火，但炮弹都在离它很远的下方爆炸。气象观察机驾驶员克劳德·伊瑟利少校命令报务员发出如下的一封电报：“低层云，1~3／10THS，中层云，1~3／10THS。建议轰炸第一目标。”
接到伊瑟利的气象情报后，蒂贝茨转身对领航员西奥多·范柯克上尉说：“目标广岛。”这时“依诺拉·盖伊”号刚刚飞到9760米的投弹高度。
7时50分，这架巨型轰炸机抵达四国岛。越过四国就是本州和广岛。
“就要开始投弹了，”蒂贝茨用机内通话装置宣布，“请大家都把护目镜放在前额。投弹计数开始后便戴上，一直要到爆炸闪光过后，才能摘下来。”
8时13分30秒，蒂贝茨对投弹手托马斯·费里比少校说：“看你的了。”这时这架“超级空中堡垒”用自动驾驶仪操纵，在广岛上空9640米高度，以对地时速460公里向西飞。
费里比少校俯身把左眼贴在轰炸瞄准器上，通过轰炸瞄准器，费里比看到了非常熟悉的地形，就同他反复研究过的广岛市目标照片一模一样。瞄准点在太田川7条支流中最宽阔的支流上的一座主要桥梁上。这座桥此刻正逐渐移近瞄准器的十字标线。
“目标找到了！”费里比说，随即开动自动同步器，计算这项轰炸任务的最后一分钟。45秒钟后，他扭开无线电发出音响信号，表示15秒后要投弹。
随行的一架B－29是运载仪器的飞机“伟大艺人”号，它放慢速度使自己同“伊诺拉·盖伊”号拉开约900米的距离。另一架随行的B－29没有名字，只在机身侧面有一个“91”的编号，它此时开始盘旋，为拍摄照片调整方位。
8时15分17秒，“依诺 拉·盖伊”号的炸弹舱门，霍地自动打开。投弹时间和操作是根据费里比送进瞄准器的数据用电控制的。他的手指则按在一个电钮上，如果炸弹不能脱落，他就往下一按，用手动投弹。无线电计数声突然停止。费里比看见那颗细长的原子弹尾部朝下掉出去，接着便翻了个身，弹头朝下向广岛落下。飞机由于突然减少了4吨多重量，机身猛然上升。蒂贝茨使飞机向右方猛拐，以倾角60度急转弯158度，然后使飞机向下俯冲加速，尽快脱离原子弹爆炸中心。
一座城市消失在闪光中
随行的“伟大艺人”号飞机的弹舱门也打开了，3个伞包落下。接着，降落伞打开。吊在降落伞下面的是像灭火器似的圆筒，它们是要把原子弹爆炸的无线电数据发射回去的发报机。
广岛的地面和天空都非常平静，人们与往常一样做着日常的事情。看见那3个降落伞的人以为敌机中弹，机组人员跳伞，要不就是在散发什么传单。
突然间，天空闪出一团蓝白色的强烈亮光。广岛所有时钟从此永远停在8点15分17秒。原子弹在离地面580米的高度爆炸，形成了一个大火球。
一个目击者描述那团光在上升及散开时，由白色转为粉红，再转为蓝色。其他人似乎看到了五六种鲜艳的颜色。有些人只在一团白光中看到一道道金光，好像一个照相用的大闪光灯泡在广岛市上空爆裂一样。
火球发射出来的热只延续了几分之一秒，但30万摄氏度的高热使爆心半径1公里内的花岗石都溶化了。爆炸中心投影点附近的温度急剧上升到3000~4000摄氏度；距离1500米处的物体表面温度，也达到540摄氏度。
片刻之后出现一股可怕的冲击波，3公里内所有建筑物，除了少数几幢坚固的、防地震的建筑物外，全部被摧毁。广岛全市76000座建筑中，只剩下6000座大体还残存。
有几种因素加起来，使原子弹的破坏力比原先预测的还要大。第一是投弹异常准确，费里比少校瞄得几乎完全准确。炸弹就在距离指定瞄准点约180米处爆炸。
另外一个因素就是爆炸的时间。当时整个广岛市的居民正在煮早点，成千上万的火盆都盛满了烧得通红的木炭。几乎所有火盆都在爆炸中翻倒，变成无数火种，把那些木造的房子燃着。
这颗投在广岛的“小男孩”，其威力相当于万吨三硝基甲苯（TNT）炸药。
当时，“依诺拉·盖伊”号的机组人员，看见在他们底下数公里的地方，出现了针头大小的紫红色光点，并立刻扩大为一个紫色的火球。接着火球又爆发成一群乱舞的火焰，吐出一圈圈的浓烟。从紫色的云雾中升起一根白色烟柱，迅速地上升到3000米高空，开了花，形成一个巨大的蘑菇烟云。这个蘑菇烟云，如同沸水一般上下翻滚，继续上升到15000米左右的高空。
几公里外，坐在观察机“伟大艺人”号上的科学家，正聚精会神看着爆炸记录仪。在拍摄照片的飞机内，物理学家伯纳德·沃尔德曼博士正坐在投弹手的位置上，操纵着他从美国带来的高速电影摄影机。炸弹投出后，他开始计数到40便开动摄影机。
广岛上空的大气被爆炸力搅动翻腾了整整一刻钟。接着开始落下巨大的雨点。袅袅上升的原子云柱带着放射性尘埃大点大点落下来。这阵神秘可怕的“黑雨”，使广岛幸存者们吓得魂飞魄散。这阵致命的大雨，向西北扩散。东面火势凶猛的地方，则几乎滴雨未落。
蒂贝茨驾驶飞机在广岛上空盘旋观测后，下令报务员用明码发电报说已经轰炸了第一个目标，目测效果良好。返航途中，帕森斯又用密码发了一个电报：
“结果各方面成功。目测到的投弹效果，大于‘三位一体’（阿拉摩戈多）的试验。投弹后机内情况良好。正返回‘教皇统治