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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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于是副驾驶打开舱盖，射出了8枚信号弹。每一枚信号弹本身都是有特殊含义的，比如告诉塔台“博克之车号”起火、燃油耗尽、机上有伤员等。但这一回，所有信号弹都只有一个目的，就是吸引机场的注意，在这方面他们成功了。当“博克之车号”最后飞临跑道时，所有其他飞机都让了路。右侧外发动机喘振着，噼啪作响，停了下来。斯威尼说：“我此时就像脱轨的列车车厢一样直冲了出去。”[61]他保持着空速不降，瞄准了跑道正中央。“博克之车号”重重地落在跑道上，向上弹了25英尺，接着跌回地面。左侧外发动机也熄火了。他的空速过快，达到每小时约140英里。飞机开始向左偏航，飞向一处停满了B-24轰炸机的停机坪。斯威尼随即开始反转螺旋桨——这种功能只有第509混合大队的飞机具备——以进行紧急刹车。“博克之车号”重新对准了跑道中心线，最终停了下来。当飞机开到滑行道上时，第三台发动机也停转了。斯威尼关闭了第四台发动机，踩住了刹车。他瘫在座位上，筋疲力尽。剩下的滑行就交给拖车了。此时“博克之车号”的油箱里只剩下7加仑燃油了。
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第8航空队指挥官詹姆斯·杜立德将军目睹了这次狂暴的降落。他一度确信这架飞机要坠毁了。后来斯威尼向指挥官报告，解释了他此次任务的内容。两人都没有意识到这次见面的重大意义——从某种意义上说，他们两人正是轰炸日本的首尾。1942年4月第一次对日本本土的空袭是杜立德率领的，斯威尼则刚刚扔下能够标志战争结束的那枚炸弹。
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在食堂里饱餐一顿之后，“博克之车号”的机组重新登上已经加满燃油的飞机。他们还要再飞行5个小时，返回提尼安岛。晚上10点半，飞机降落在了提尼安岛北部机场的A跑道上。这次任务持续了19个小时。机场上没有欢迎仪式，没有媒体，也没有任何庆祝。斯威尼被蒂贝茨和李梅抓去盘问了一番，他们认为他的一些决定糟糕透顶，几乎毁掉了任务。他们也围绕是否应该把他送上调查庭而进行了争论。但最后，他们决定不管了。至少现在全世界都知道长崎的轰炸成功了，他们也乐得保持这个状况。那些让“博克之车号”几乎毁灭的可怕细节直到几十年后才公布出来。
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东京方面，在最高战争指导会议当天上午的一次长会中，“六巨头”发现自己分成了早已习以为常的3 ∶ 3两派，相持不下。值得一提的是，即便是那三个强硬派也认为战争必须要结束了，他们“原则上”同意外交大臣东乡关于向盟国求和的提案。但他们还是坚持要附带几个条件。阿南将军发誓说，他和陆军决不会接受无条件投降。他指出，日本可能会进入无政府状态，甚至有内战的危险，这可以被理解成一种威胁。和往常一样，他得到了梅津美治郎和丰田副武的支持。
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上午11点半，他们还在讨论之时，收到了长崎被另一枚原子弹攻击的消息。但是这一坏消息并未解决会议的僵局。
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三个小时纠缠不清的争论之后，两派在以“单条件”还是“四条件”接受《波茨坦公告》的问题上陷入了僵局。所有六个人都同意盟国必须保证保留天皇和皇室。议和派的东乡、铃木和米内主张这应该是唯一的条件，他们警告说，任何更多要求都无异于拒绝《波茨坦公告》，战争就会持续下去，直至日本毁灭。但是强硬派还坚持提出另外三项条件。首先，日本领土上不能有外国占领军；其次，海外的日军部队应当在他们自己军官的指挥下撤回本土并复员；最后，战犯要由日本自己来审理。
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在当天下午的内阁全员紧急会议上，米内大将直言不讳道，日本已绝无可能击退盟军向日本本土的进攻。阿南则反驳说，陆军有信心在盟军突击登陆时给予其重大杀伤，这样一击应当至少能带来更有利的和平条件。阿南还补充道：“我们将以‘一亿玉碎’摆脱绝境。”[62]几位文官大臣指出了陆海交通、燃油储备、经济和农业方面的糟糕状况，强调已不可能再打下去了。掌管司法的内务大臣警告说，如果让公众知道正在进行和平谈判，社会秩序可能会崩溃。到当晚8点，除最高战争指导会议“六巨头”外的所有大臣都申明了自己的意见。6人支持东乡的“单条件”回应，4人举手支持强硬派的“四条件”回应，其余的人要么持中间立场，要么保证支持首相的决定。
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通常情况下，这种僵局需要花费很长时间才能解决。日本人已经在按照习惯使用“根回”的方法（刨根问底，寻找共识）了。在这关键的一天里，最重要的讨论都发生在各位大臣之间的一对一商谈，以及皇宫中。铃木首相和木户侯爵均多次单独入宫觐见裕仁，让他随时了解最高战争指导会议和内阁会议的讨论进展。几位“重臣”（这类人都是“高级政治家”，包括所有日本前首相）前来面见木户。和木户关系很好的前外相重光葵从乡下老家被召回来，准备接替东乡的位置。整个下午，几位皇室成员也积极活动了起来。天皇的弟弟高松宫亲王起初支持“四条件”回应方案，但他逐渐被议和派的分析所说服，到这一天结束时，他已坚定地站在“单条件”回应这一边了。[63]
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第二梯队的文官们和内阁中的议和派一起在幕后运作，策划将投降的决定交由“圣裁”。内阁书记官长迫水久常请“六巨头”在一份同意进宫举行正式御前会议的文件上签了字。迫水似乎让最高战争指导会议中的强硬派相信，他们只要把观点呈给裕仁就可以达到目的。假如他们担心圣意会直接打破僵局，他们就会拒绝签字，这会议也就开不起来了。
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午夜前不久，这场历史性的深夜会议在皇宫地下室一处拥挤闷热的防空洞里举行。所有与会人员都穿着正装，或者穿军服并戴白手套，坐在电灯下的木椅上。天皇穿着军服，面向他们而坐。他的背后是一面镀金屏风。迫水大声朗读了《波茨坦公告》。两套备选的回应文稿——议和派的“单条件”接受文稿和强硬派的“四条件”接受文稿——被分发给了所有参会人员。
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东乡首先发言。他话说得很重，重申了从这天一早就一直坚持的主张。他说，除了以保留天皇地位为仅有的条件接受《波茨坦公告》之外，再无其他现实道路。再增加一连串条件无异于直接拒绝盟国的条款。那样的话谈判还没有开始就会结束，日本就只能在彻底毁灭或者（更加颜面无存的）接受完全无条件投降这两种灾难之间选择了。阿南则愤怒地咆哮道，日本陆军还没有被击败，在本土作战中能够获得相当大的战术优势。应当允许陆军去击退入侵者；打完了这一仗，政府就有资本在谈判桌上获得更有利的条件。米内轻声细语地支持了东乡的观点。两个军种的参谋长梅津和丰田则说他们赞同阿南，虽然看上去两人都没有阿南那样的信心。木户侯爵和枢密院议长平沼骐一郎男爵都站在“单条件”接受公告这一边。争论持续了两个小时，直到屋里所有人都发了言。铃木没有表态，或许是因为他想要让自己成为调停人，而且他知道接下来会发生什么。