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麻烦在“博克之车号”起飞离地之前就开始了。8月9日凌晨2时15分，当机组进行起飞前逐项例行检查时，一名航空工程师发现一个油泵不工作了。这需要更换一个新的螺线管，大概要耗费几个小时，任务也不得不推迟。按照蒂贝茨的意见，预备燃油主要是用作压舱物，用来平衡炸弹的重量。他觉得这个油泵并非必不可少。根据斯威尼的说法，蒂贝茨要他自己做决定，于是他说他们要出发了。[46]坏掉的油泵意味着这次任务可用的燃油更少，因此要相应有所调整。
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凌晨3时40分，“博克之车号”滑行到起飞线上，此时北方的天气并不好。午夜刚过，暴雨区就开始扫过那里，北方海平线上时不时还能看到闪电的光芒。航线沿途尽是暴雨天气。“博克之车号”此时重量为77吨，比波音公司建议的最大起飞重量高出30%。当四台引擎的转速都压到2 600 rpm（每分钟转数）时，斯威尼放下襟翼，向前推动节流阀，松开了刹车。超重的飞机需要进行长距离的起飞滑跑，要把跑道的几乎每一寸沥青路面都用上，这架带着强大炸弹的超重飞机直到距离海岸的岩石峭壁仅仅200英尺时才离地升空。斯威尼保持飞机平飞，以增加速度和升力，之后才开始缓慢、长时间地向高空爬升。
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他们在1.7万英尺高度向北飞行时，天上看不到几颗星星，机舱外的气温是零下30摄氏度。在飞往九州南面的集合点的漫长航程中，飞机颠簸得令人想要呕吐。在“大艺术家号”上，劳伦斯看到旋转的螺旋桨周围形成一片不可思议的蓝色等离子火光，“就好像我们坐在蓝色火光的战车上，乘着旋风在空中前行”。当他开口询问此事时，博克上校解释说这叫“圣爱尔摩火”[47]。5点刚过几分钟，飞机右舷海平线上一道紫色的光芒宣告了黎明的到来。爬升到3万英尺的集合高度时，飞机下方布满了棉花团一般的云层。“在那个高度上，下面的大海和上面的天空仿佛融合成了一个巨大的球体，”劳伦斯写道，“我就在这片苍穹之中，坐在巨大的白色云山之巅。”[48]在“博克之车号”上，“胖子”并不需要像前一次的“小男孩”那样进行精细的安装操作。钚弹的聚爆透镜系统过于复杂，必须在炸弹挂装到飞机上之前装配好。因此，海军的弗雷德里克·L.阿什沃思上校，本次任务的主武器官，只要爬进“博克之车号”的弹舱，把绿色安全栓摘掉，把红色的起爆插头插进去就行。这样，武器就做好战斗准备了。为了保险，弹上装有不少于8个引信，能通过无线电、雷达、高度、触地等各种方式引爆。然而，虽然在提尼安岛进行了那么多仔细的准备，错漏还是出现了。7点左右，阿什沃思和他的助手发现一个本应关闭的红灯在闪烁，而且还越闪越快。他们一时间陷入了恐慌，觉得这炸弹可能马上就要在飞机上爆炸了，这对“博克之车号”和机组人员来说可不是好事。在肾上腺素的驱动下，他们立刻行动起来，打开炸弹的设计蓝图研究其电路。随后他们拆开炸弹外壳，检查各项开关。怪事出现了：虽然地面技师小心翼翼，但还是有两个开关位置错了。于是他们重设了开关，警告灯便熄灭了。两个人重新装上外壳，对刚刚发生的事情只字不提，直到几十年后才说出来。[49]
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早上7时45分，“博克之车号”抵达了屋久岛上空的集合点。此时的飞行高度是3万英尺，他们已经在空中飞了5个小时。几分钟内，“大艺术家号”就来到了投弹机的右翼位置。但是照相飞机“大丑闻号”却不见踪影。20分钟过去了，两架飞机在盘旋时消耗了不少燃油。在那个高度的稀薄空气中，燃油消耗率很高，每小时要烧掉500加仑。低下头，他们从云缝中瞥见了屋久岛——这是一座圆形的岛屿，苍翠而起伏，有陡峭的高山和深谷。这时，斯威尼做出了一个有争议的决定——继续等。又过了25分钟，失踪的飞机还是杳无音信。后来人们才知道“大丑闻号”是飞错到3.9万英尺的高度上了。
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最终，在空耗了45分钟的燃油之后，斯威尼决定往北转向，飞往此次任务的首选目标——小仓。此时太阳已经完全升出了海平线。“博克之车号”和“大艺术家号”从南到北飞过了整个九州岛，飞过了日本几座最大的“神风”基地。两架飞机保持着无线电静默，但是那架行踪不明的照相飞机的飞行员却呼叫了提尼安岛。根据各方面的说法，他问：“斯威尼放弃了吗？”还有：“‘博克之车号’坠毁了吗？”这些询问本就容易引起误解，提尼安岛收到的无线电信号偏偏又残缺不全，于是这就成了“‘博克之车号’坠毁”。在接下来的几个小时里，提尼安岛上的指挥官觉得飞机和炸弹可能已经葬送在海上了。
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当两架“超级堡垒”飞临小仓时，这座城市却被笼罩在云雾之中。透过树脂玻璃机头向下看，机组能找到某些地标——但是指定的瞄准点小仓兵工厂却看不见。附近的八幡市燃烧着大火，那里前一天刚刚被常规轰炸过，褐色的浓烟飘到了小仓上空。此外，当地炼钢厂的焦炉也工作起来，施放出了不少烟雾——这也是一种防空措施，目的是降低空中的能见度。[50]“博克之车号”和“大艺术家号”抵达后不久，城市的高炮向它们开了火。起初高射炮弹的爆炸高度偏低，但当两架飞机在3万英尺高度盘旋时，高炮的炸点也在逐步升高。第509混合大队接到的命令是目视轰炸，也就是说投弹手要先用他的诺顿轰炸瞄准具确认瞄准点，然后再投下炸弹。斯威尼一连三次调整机头，三次进入投弹航线。但每次投弹手都说他看不见瞄准点。而高射炮的弹幕却逐渐升高，越来越近。
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斯威尼和博克爬高到3.1万英尺，继而是3.2万英尺。无线电员在当地战斗机司令部使用的频率上监听到了日语说话，这意味着他们可能会遇到不愿碰上的家伙。机组人员紧张地看着燃油指针——他们知道可用的燃油比指针显示的更少。两架飞机的机舱里气氛紧张了起来。据机组人员们后来的叙述，许多人觉得这次任务可能会失败，或许两架飞机都要完蛋。
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令人难以置信的是，似乎没人为这种情况做过明确的预案。虽然日本上空能见度不良的情况并不少见，但他们无权进行雷达轰炸。考虑到原子弹轰炸并不需要那么高的准确度，这种过分的要求实在有些说不通。
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在小仓上空兜兜转转一个小时后，斯威尼决定转向第二目标。他压坡度转向南，要求领航员给出长崎的方向。据阿什沃思的说法，“博克之车号”和“大艺术家号”在转弯时差点就撞上了。接着，斯威尼的胳膊肘又不小心碰到了座舱里的一个按钮，把通话器从机内通话切换到了命令发送上。这样，一道原本应该发给本机组的例行询问便向外发送了出去，无线电静默也就被打破了。失踪的那架照相飞机“大丑闻号”的飞行员收到了这份无线电，他立刻回复道：“查克？是你吗，查克？你到底在哪儿？”[51]斯威尼没有答复，他知道日本人肯定也在监听这一泄露出去的通话。他还知道“博克之车号”的燃油根本不够去和失踪的飞机会合。
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飞往长崎的100英里航程只用了20分钟。上午11时50分，“博克之车号”来到了这座城市的上空，比计划的投弹时间晚了超过两个小时。飞机已经在空中飞了超过8个小时，剩余的燃油快要不够返航了。低头看下去，斯威尼和他的副驾驶失望地看到长崎也是阴云笼罩，“6 000英尺到8 000英尺高度上的云量达到80%～90%”。[52]飞机的燃油只够飞一次投弹航线了，但投弹手还是看不见瞄准点，也就是三菱炼钢厂和兵工厂。无奈之中，斯威尼说他要临机决断，下令进行雷达投弹。否则就要把炸弹扔到海里去了。但是当“博克之车号”进入投弹航线时，投弹手突然大叫说他目视锁定目标了：“我找到了！我找到了！”45秒后，“胖子”从“博克之车号”的弹舱里直落而下，斯威尼随即向右大坡度转弯脱离。“大艺术家号”紧随其后。
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就和三天前在广岛时一样，一阵炫目的银色光芒再次充满了两架飞机的内部，天空都变成了白色。两道冲击波接连撞在飞机上，比在广岛时更加猛烈，令飞机嘎吱作响地摇晃起来。有一名机组人员说，他觉得“博克之车号”就快被撕碎了。
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向下望去，他们看见一个紫色和粉红色相间的光球破云而出，就像一个气泡在水面上炸开。从“大艺术家号”的一个窗口向外看的威廉·劳伦斯被震蒙了。光球变成了一根扶摇直上的棕灰色烟柱，“我们眼看着它直冲云霄，就像是一颗流星从大地上升起而不是从外太空落下，它在穿过白云升上天空时变得更加活跃。它不再是一阵烟，或者尘埃，甚至不是火云，它是一个活物，一个新物种，就在我们眼前不可思议地诞生了”。[53]当烟柱升到比两架飞机更高处时，其顶端变成了一朵白色的蘑菇云。下面，长崎市已经消失在了一片密不透光的烟雾、尘土和火焰之中。从脚下的有机玻璃板俯望过去，斯威尼说：“我们只能看见一团浓厚、污浊的褐色烟毯，间或能看见一片火光。”[54]
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两架飞机在炸点周围盘旋，一张接一张地拍下照片。当蘑菇云的顶盖向外展开时，“博克之车号”似乎离得太近，马上就要被烟云吞没了。一名机组人员叫道：“蘑菇云朝我们来了！”[55]于是斯威尼第二次向右急转，远离了核爆。在令人屏住呼吸的几分钟里，机组人员们惊恐地看着直扑自己的蘑菇云。“博克之车号”脱离了危险，但是这次机动却进一步耗费了本已浪费不起的燃油。
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“胖子”在浦上河谷上空大约1 800英尺处炸响，下方是长崎市北部一片挤满了传统日式木质住宅的密集居民区，建有一座天主教堂、小学和大学，还有两座三菱工厂。炸点位于预定的瞄准点西北方3/4英里处，但还是起到了预期的效果。这里刚好是南面的三菱炼钢军工厂，以及北面的三菱——浦上弹药厂的正中间，爆炸把两座工厂全部夷为平地。
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由于当地的新闻媒体还没有报道原子弹轰炸广岛的事情，许多居民还想不到一两架B-29竟能够摧毁一座城市。当两架飞机从北方高空比翼飞来时，不少人根本没拿空袭警报当回事，都还站在原地看着从头上飞过的轰炸机。和在广岛时一样，爆炸时出现了一个照亮天宇的炫目光球，所有距离爆心大约半英里之内的户外的人都当场蒸发。长崎原样重现了三天前广岛的恐怖场面。当时躲藏起来逃过一劫的人随后发现周围是一片可怕的地狱景象，太阳消失不见，大火四处蔓延，整个地面已是面目全非。一如广岛，烟尘遮天蔽日，全城满是可怕的红色光芒。“零区”周边区域大部分都是日本传统的小型木质建筑，它们几乎被完全夷平、蒸发或烧毁。在无边无际的残垣断壁之中，到处都是扭曲、熏黑的波纹板和钢架。那些位于爆心下方的房屋被直接压进了地下，瓦片和泥土、废墟熔在了一起。在距离“零区”半英里的长崎医学院，校园里所有的木质建筑都被炸平，里面的所有人都死于非命。而在混凝土建筑里，墙壁则提供了不错的保护，每10个人中有6个人能活下来，虽然其中许多人还是受了重伤。一名从防空洞走回学校的少女向同行的同学喊道：“我们进防空洞时那里不是有房子吗？”[56]
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伤员躺满了道路，被困在废墟中，有些人蹒跚跛行，有些人在地上爬行，有些人甚至几乎一丝不挂——冲击波扯掉了他们的衣服——许多人无法动弹，乞求周围人给点水。有些人被烧伤到脸部完全无法辨认，带血的毛发和皮肤从身上一条条地垂下来；有人的伤口过深，连骨头都从绽开的皮肉里露了出来；他们张开双臂，以避免烧伤和刮伤的皮肤相互触碰引发剧痛。“零区”南面道路上奔逃的难民令一位目击者联想起了“蚂蚁大军”。[57]和广岛那次一样，幸存者们本能地逃向河流——这次是浦上河。数以千计的人挤到河边，跳进水里，想要缓解伤痛或者喝水。很快，河流就变成了漂浮的尸堆，退潮时大量尸体都被冲到了港口和海里。
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核爆后大约一小时，与广岛相同的可怕雨水落了下来——黏稠、发黑的奇怪雨滴砸下来，它们又大又重，落在淋雨的人身上，把人砸得生疼。黑雨令许多幸存者相信审判日已经降临。有些人觉得自己已经来到了地狱。
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“胖子”的落点距离日本最大、最著名的基督教堂浦上天主堂只有半英里。这座宏伟的石头建筑几乎被完全夷平，只剩下几堵残墙和两座钟楼之一还矗立在废墟中。周围的居住区被一扫而空。自从四个世纪前第一批西班牙和葡萄牙的基督教传教士来到日本起，长崎周围的海岸区域就一直是日本基督教的滩头阵地。从1700年左右开始，浦上河谷就是这个规模不大但百折不挠的宗教社群的中心，他们从一次又一次的迫害中生存下来，往往通过暗中信教的形式躲过劫难。估计大约有1万名日本基督徒死于核爆，或不久后伤重而死。有些日本人注意到长崎的诹访神社未受核爆损伤，和基督教会的毁灭形成天壤之别，认为这是天佑所致。他们觉得古神道教的神祇比外来的神更厉害。
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和坐落在冲积平原上的广岛不同，长崎城区被山岭所分隔。起伏的地形遮蔽了外围城区，使其免遭原子弹的毁灭性打击。浦上河谷西边一座陡峭的山岭吸收了大部分冲击波和辐射，让长崎其余城区大部分免受其害。山岭面向“零区”的一面化为焦土，大部分建筑和植被都被烧毁了，令其看上去如同“初秋早至”（一名目击者语）。[58]但在山岭的另一面，呈现在人们眼前的却是另一个世界，草木依旧青翠，大部分建筑看上去完好无损。
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勘测人员收集了两处核爆地点的数据之后，很快就知道长崎的这枚炸弹威力更大。“胖子”的爆炸当量比“小男孩”大30%，浦上河谷的碗状地形进一步加剧了爆炸的威力。第二枚原子弹对于与爆心距离相同的相似建筑造成了严重得多的破坏。[59]
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和广岛一样，准确的伤亡数字很难算清楚。据信有4万至7.5万长崎居民在8月9日或其后不久死去，另有7万人在1945年底前死亡。
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两架燃油不足的B-29已没希望飞回提尼安岛了。最近的己方机场位于冲绳，飞行距离460英里。斯威尼相信他的燃油已不够飞到那里，但他将要努力用尽最后的每一加仑燃油，飞出尽可能远的距离。此时“博克之车号”的高度是3万英尺，他有足够的高度可以拿来做交换。斯威尼将引擎转速从平常的2 000 rpm巡航转速降到1 800 rpm，随后又降到1 600 rpm，这已经低于发动机的设计指标了。如此低的转速会让引擎承受大量的应力，可能造成损坏。但是如果“博克之车号”在抵达冲绳前就耗尽燃油，那发动机完好也就没有意义了。考虑到他们可能不得不在海上迫降，阿什沃思上校要机组全都穿上救生衣。
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在冲绳北面60英里处，油量指针已经逼近0，无线电员开始尝试呼叫读谷机场的指挥塔台。但是无人回应。他试了所有可能的频道，仍然无回应。斯威尼于是发出了“求救”呼叫。他进一步降低了发动机功率，飞机实际上已经是在滑翔了。当机场出现在前方时，斯威尼能看到有战斗机和轰炸机正在盘旋降落。空中有很多飞机，但不知道什么原因，塔台对他毫无回应。“博克之车号”没有燃油去飞复杂的降落航线了。斯威尼想要直接对准跑道一端来一次没有退路的滑翔降落。但是机场知道他要来吗？“联系上随便哪个该死的冲绳塔台！”斯威尼向无线电员吼道。他自己则继续发出呼救信号。随后他告诉机组，从头上的舱盖向外发射信号弹。一个机组人员问他应该发射哪个颜色的信号弹。“把我们机上所有该死的信号弹全都打出去！”[60]
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