20世纪30年代，美国物理学家詹姆斯·查德威克、意大利物理学家费米和德国物理学家迈特纳、哈恩、史特拉斯曼等人先后在原子物理方面取得了重大突破。1937年3月，希特勒从法国人手里接管了莱茵河地区，又占领了奥地利、捷克。希特勒一方面疯狂扩军备战，另一方面在国内实行法西斯统治，大肆推行种族歧视，犹太人首当其冲。希特勒残酷迫害有独立思想的人，特别是有学术专长的学者、专家。总计有2000多位欧洲著名科学家和工程师，为了逃避法西斯的迫害，背井离乡流落到美国。
世界科学家汇聚美国
从欧洲逃亡到美国的科学家，大都是有抱负、有成就的科学界精英。这些人当中有被称为相对论之父的德国著名犹太人科学家爱因斯坦，有德国著名物理学家弗兰克、贝蒂、史特拉斯曼、迈特纳、赖纳、弗里斯，有意大利著名科学家费米以及匈牙利裔的著名物理学家西拉德、爱德华·泰勒等。
费米在核反应堆的研究方面，取得了举世公认的成就。匈牙利裔的物理学家利奥·西拉德对美国核研究起了重要作用。他曾在德国的大学中从事过核物理研究，深知如果能有一个以上的中子被释放出来，连锁反应就有可能发生。为了阻止德国人研制出原子弹，西拉德和费米在美国政界和军界奔走游说的同时，还采取了其他的办法。首先他们利用1939年夏天海森堡到美国讲学的机会，由哥伦比亚大学物理系主任乔治·B·佩格拉姆出面力聘海森堡担任该系教授，敦请其留在美国，但未能成功。此后，西拉德和费米等人决定，为了防止任何有关核裂变的情报泄露给德国人而加速德国研制原子弹进程，必须呼吁德国以外的从事原子物理研究的学者实行“自我出版检查制度”，对德国人封锁一切有关这方面研制进展的信息。
紧接着，由佩格拉姆和费米出面，他们力图使美国海军作战部长S.C胡柏海军上将相信，德国正在研制一种威力无比的炸弹，但对此一窍不通的胡柏显然认为这只是一个天方夜谭。
德国U计划是一个极其危险的信号！美国哥伦比亚大学物理学家西拉德被震惊了。德国人的U计划可能导致一种威力巨大的杀人武器的诞生。出于对人类命运的担忧，西拉德心急如焚，如果战争痞子希特勒手里有了原子弹，后果将不堪设想。反法西斯国家必须赶在法西斯国家之前造出原子弹。
1939年初，玻尔从两位刚逃出德国的科学家那里得到德国已经开始研制原子弹的确切消息。他立即前往美国，将这一消息告诉了费米等人。这些深知核能巨大威力的科学家对此忧心忡忡，他们知道，如果纳粹德国抢先制造出原子弹，人类就将面临史无前例的核灾难！而阻止这一灾难的唯一办法就是要抢在德国之前造出原子弹。
1939年7月，哥伦比亚大学的一间实验室里，西拉德冒着酷热，和另外两人撰写了一份有关核能的战时利用以及原子弹的设计和制造的研究报告，建议美国要在德国之前，尽快地制造出原子弹。不料却遭到军方冷遇，甚至被斥为“怪人”。对科学的无知，使美国差一点与原子弹失之交臂。
满腔热情遇到一盆凉水，但西拉德等科学家没有放弃，他们在考虑如何绕过这些官员们，直接将研究报告面呈罗斯福总统。
爱因斯坦致信罗斯福总统
怎样才能见到日理万机的美国总统呢？几乎是不约而同，他们想起了已在美国定居的享有最高威望的科学家爱因斯坦。
制造原子弹需要雄厚的经济后盾、齐全的研究设备、大量的科学人才和安定的社会环境，环顾参加反法西斯战争的各个国家，只有美国有此条件。本着对历史负责的精神，爱因斯坦答应了科学家们的请求。考虑到罗斯福对科学的理解水平，1939年8月，爱因斯坦给罗斯福总统写了一短一长两封信。短信比较简明，只有两页。长信对原子弹作了较深入的解释。它详细说明铀与原子分裂在科学上的重要意义，并阐明拨出巨大财力、物力研究的代价是绝对必要的。
美国总统罗斯福先生：
我从书面了解到费米和西拉德近来所进行的一些工作情况。他们的工作使我感到，铀这种元素在最近的将来可能会成为一个新的重要的能源。对于已经出现的某些情况，政府似应给予重视，并应在必要时采取迅速的行动。因此，我认为我有责任提请你注意以下的事实和建议。
在过去的4个月中，法国的约里奥和美国的费米、西拉德进行的工作，已经使下面的这一事实成为可能：在大块铀中可能爆发核链式反应，这一反应将产生无穷的力量和大量像镭那样的新元素。现在几乎可以肯定，这在最近的将来是能够实现的。
这一新的现象也会导致炸弹的制造，因而一种威力极大的新型炸弹可能会制造出来——尽管还没有很大的把握。一枚这种类型的炸弹如用船载送去轰炸一个港口，那么它将把港口全部炸毁，并将能毁坏附近的一些地区。然而，这种炸弹可能太重，因此不能空运。
美国只拥有一些质量较次的铀矿。加拿大和捷克斯洛伐克有一些铀矿是很好的。最重要的铀矿资源在比属刚果。
鉴于这种情况，你可能会感到政府最好能同那些研究链式反应的美国物理学家保持经常性的联系。做到这点的一个办法是：你把这个任务交给你所信任的、同时能以半官方身份出面工作的一个人。他的任务可以包括以下几个方面：
1.同政府部门接触，使这些部门了解工作进展情况，提出关于政府采取行动的建议，对于美国铀矿石的可靠供应这个问题给予特别的注意。
2.使目前受到大学实验室经费限制的实验工作能加快进行，应同愿为此事业捐款的个人进行联系，在必要的情况下为实验工作提供资金。有些工厂有实验工作所需要的设备，应争取它们的合作。
据我了解，德国已经接管了捷克斯洛伐克的铀矿，它实际上已经停止了那里的铀的出口。德国这么早地采取了行动，是可以理解的，因为德国副外长的儿子卡尔·冯·魏茨克就是柏林威廉皇家研究院里的人，他们也正在进行目前美国人对铀的某些研究工作。
你的忠诚的阿尔伯特·爱因斯坦
1939年8月2日于长岛佩科尼克区纳索角
这封长信对总统来说，无疑是一颗威力无比的精神原子弹，确实有茅塞顿开的功效，但总统还不能草率地立即下决心。
长信是通过总统顾问、国际金融家萨克斯递上去的，在说服总统方面，萨克斯起了意想不到的作用。
经过一天的思考：轮椅上的罗斯福在第二次接见萨克斯时仍举棋不定。尽管他手中握有很大的权力，然而，动员整个美国科学以及工业界与德国来一场制造原子弹的竞赛，是件非同小可的事。人手、经费、保密等一系列问题如何解决？这种谁也没见过的炸弹万一造不出来怎么办？假如制造过程中不慎爆炸又怎么办？一连串的问题萦绕在这位总统脑中。最后，焦急万分的萨克斯引用了当年拿破仑因没有采用美国发明家罗伯特·富尔顿制造蒸汽船的主意，而终于未能横渡英吉利海峡征服英国的例子，来劝说罗斯福。
此时德国已在策划入侵比利时和荷兰。面对日益紧张的国际局势和希特勒疯狂扩军备战的现实，罗斯福感到了眼下这封信的分量。在这场胜败未卜的竞赛中，只有美国堪与德国匹敌。而德国一旦得逞，美国势必处于岌岌可危的境地，因此美国必须不惜一切代价投入这场竞争。
萨克斯说：“英法战争期间，拿破仑在海上屡战屡败。这时，美国发明家富尔顿向他建议：把战舰的桅杆砍掉，撤去风帆，装上蒸汽机，把木板换成钢板。可是这位伟大的科西嘉人，面对这个至关重要的建议却想：船没有帆还能走吗？木板换成钢板会不会沉没？拿破仑眉头一皱，把富尔顿轰了出去。历史学家在评论时认为，这是由于拿破仑缺乏见识而使英国得到幸免。如果当时拿破仑郑重考虑富尔顿的建议，19世纪的历史就得重写。”
罗斯福沉默了几分钟后，说了一句足以影响历史的话：“你胜利了！”
但是，当时世界上正在打仗，美国经济紧张得不得了，研制原子弹需要很多钱，这钱投进去，原子弹能造出来吗？谁都不知道，总统不敢签字！
1939年10月19日，罗斯福亲自询问爱因斯坦能否造出原子弹；爱因斯坦最后回答说：“That’s possible.”那是可能的。于是，罗斯福果断地拍了板，对爱因斯坦的信作了肯定的决定。他对军事助手沃特逊将军下达了命令。一个专门负责“铀裂变炸弹”研究的代号为“S-11”的特别委员会成立了，其主要成员有陆军部长史汀生，科学研究发展局长布什博士，还有当时的哈佛大学校长科南特博士。
罗斯福虽然在理论上被说服了，但在其后的两年里，政府支持的原子弹研究工作的进度仍然十分缓慢。
1940年，全国最有名的物理学家组成“铀委员会”。但是存在两个致命弱点：其一，过于强调保密，使人们不了解研制一种新式炸弹的重要意义。其二，舍不得花钱，这项研究需要大量的经费，但是，实际上却经费缺乏。这样，就使所有研究项目陷于停顿。
曼哈顿工程
日本在1941年12月8日对美国在太平洋上的海军基地珍珠港的偷袭，激怒了美国。
珍珠港的耻辱，使美国上下，尤其是国会和总统懂得全力研究原子武器的紧迫性和必要性。日本的偷袭起了“动员”作用，它是美国加速原子弹研究的转折点。
负责研究原子弹工程的是美国陆军工兵部主任莱斯利·格罗夫斯少将。
芝加哥大学的著名教授、诺贝尔奖获得者康普顿受命开展原子弹的研究工作。一次，康普顿邀请加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家罗伯特·奥本海默博士参加讨论会。奥本海默竟背离自己原有的人生轨迹，迷上了原子弹的研制工作，并表现出优异的才能，他提出了制造一枚原子弹所需铀235的计算结果。
当时，他提出一项设想，使电离法分离铀同位素的研究大获成功，仅成本一下就降低了50％～70％。奥本海默的才华令人瞠目，他在学术界崭露头角。
1942年，罗斯福为加快原子弹研制步伐，采取了更加有力的措施，决定成立极为秘密的原子弹研制机构。该机构设在纽约，代号为“曼哈顿工程”（即原子弹计划）。曼哈顿是纽约的精华所在，也被称为“美国的象征”。这个机构的保密程度之严格，以至于连副总统杜鲁门在几年后才知道。国会授权政府开支22亿美元，投入人力50万，是美国历史上的一项创举。
“曼哈顿工程”接受了奥本海默最有价值的建议，于是决定建立一个最高级的、包罗万象的，也是极其秘密的实验基地。
选择谁来当这个基地的负责人呢？人们普遍认为，承担此重任者，必须倚重一个诺贝尔奖获得者。当时，美国有3个主要实验室的负责人：伯克利分校的劳伦斯、哥伦比亚大学的尤里和芝加哥大学的康普顿。费米因为尚未加入美国国籍，不在考虑之中。这3个人都是诺贝尔奖获得者，威望都很高。在所有获得这一重要荣誉的人中，人们又把焦点聚集在康普顿身上。康普顿有两个突出的优势，除了有卓越的科学成就之外，还有担任科研领导的经验。
而康普顿的慧眼却集中在毫不显眼的奥本海默身上，大爆了一个人事冷门。康普顿客观地认为，奥本海默虽然没有名气，也未曾担任过重要领导工作，但他有许多科学家所没有的、不可多得的素质。
他知识渊博、思维活跃，具有战略眼光和洞察力，以及潜在的组织领导才能，善于与各种人打交道。更为可贵的是，他是一匹不可多得的“千里马”。
经过军事委员会的多次讨论，最后通过了对奥本海默的任命，这是十分困难的选择，因为陆军保安部对奥本海默的忠诚有保留。
格罗夫斯少将的选择，也是冒了很大的风险。为了对付特工机关的纠缠，他决定上报由自己采取安全措施，对奥本海默进行监视、考察。1943年7月20日，他向华盛顿发了一份措辞强硬的电报：“按照我7月15日的口头指示，应毫不拖延地发出任用J.R.奥本海默的委任书，而不受你们所得到的关于他的那份情报的限制。他对本计划是绝对重要的。”奥本海默果然不负众望，迅速编出了一份详细的实验室人员组织表，总人数由原来的100人扩充到1500人。同时，他又亲自四处招聘最优秀的科学家，并且在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯峡谷一块人迹罕至的地方设立新的实验室和制造厂，对外称“Y基地”，与友人通信则用1663信箱。
遵照美国政府为“曼哈顿工程”确立的两个原则：一、造出原子弹供给军队；二、在德国人之前造出原子弹，“曼哈顿工程”计划必须从速进行。为此，美国采用了双管齐下的方针。例如，分离铀的三种成功方法一齐上马，三种类型的工厂在田纳西州的橡树岭先后动工。后来华盛顿州的汉福特又另外建立了一座分离钚的工厂。最后确定，到1945年夏天必须准备好50公斤核裂变材料。
原子弹出世
英、美、加三国的研究机构，由于美国的倡议，逐步联合起来，大大加快了原子弹的研制进程。加拿大第一流科学家弗兰克·斯佩丁，是原子能铀生产技术的发明者，多次获得诺贝尔化学奖，在美国制定“曼哈顿工程”中起过重要的作用。在他的领导下，依阿华州立大学实验室生产了第一次受控核反应试验所需铀的1/3。
1942年6月中旬，丘吉尔在参谋总长等高级军事领导人陪同下飞往美国，与美国总统进行晤谈。鉴于德国人对英国的频繁轰炸和不断侦察，英国科学家的研究遇到了极大的困难，更不能在英伦三岛上建立所需要的巨大而引人注目的工厂。英国本岛的原子弹研制前途太渺茫、太暗淡了，只有客居他国才能有所发展。
美国和加拿大满足了英国人的要求，为英国科学家提供了优越的研究条件和环境。
美英两国领导人批准了在原子弹研究领域进行广泛的合作。英国试制原子弹的大量实验设备和工作，随着皮尔斯等科学家队伍涉海过洋移到了北美。
在纽约设立的英国专家小组，继续从事分离铀同位素气体扩散法的研究，以生产铀235用来造原子弹。另外，在加拿大蒙特利尔设立英加研究小组。
和加拿大科学家一起工作的，还有来自巴黎法兰西学院约里奥实验室的法国科学家科尔瓦斯博士和哈尔班博士。法国著名物理学家约里奥，在德国人占领法国期间，曾积极参加法国地下抵抗运动。在战争早期，他曾为英国制造了一些重水。科尔瓦斯和哈尔班两位法国科学家，就是在约里奥的帮助下逃往加拿大的。
1942年12月，在芝加哥大学“冶金实验室”，由费米领导的最先进的核反应堆所进行的铀235链式反应试验获得了成功。
美国还在田纳西州的诺克斯维尔附近的橡树岭，建立了两座规模很大的K-25铀离析工厂，用以生产铀235，两座工厂所用的方法是不同的。一种是用气体扩散分离法，另一种是电磁同位素分离法。1943年，在汉福特还建立了另一个原子反应堆。橡树岭的原子反应堆是气冷的，而汉福特的反应堆是水冷的。汉福特的原子反应堆，是用来生产钚和从事核裂变产物研究的。
1943年3月，在洛斯阿拉莫斯组装了一台加速器。它是费米领导的第一小组的作品。带着匈牙利口音的爱德华·泰勒是其中重要成员之一。
4月，在新墨西哥州阿拉莫斯成立了原子研究所，在橡树岭和哥伦比亚河岸上的汉福特两家工厂配合下，开始进行原子弹的设计和制造。
美国科学家以奥本海默为首设计了使用两种不同原料、不同型号的原子弹。以铀为原料的原子弹，每颗需要60公斤铀235。天然铀是在圣路易斯的化学工厂精炼的，费时半年之久，人们给未来的原子弹起绰号叫“小男孩”（铀弹）。以钚为原料的原子弹，每颗仅需要5.44公斤铀235，而且加工极易，只用一个月即成。人们给这两个原子弹分别起绰号为“胖子”（铀弹）、“瘦子”（钚弹）。
为什么“抢到海森堡，比俘获10个德国师更有价值”
这段时间里美国唯一担心的是德国首先造出原子弹。为了摸清德国底细，掌握德国研制尖端武器的进展情况，美英组成了一个代号为“阿尔索斯”（“小丛林”之意）的特别情报组，准备空投或随盟军在法国登陆。
1943年秋，美军在意大利登陆，“阿尔索斯”突击队随军行动，通过分析德、意科学家的通信，分析出德国研制原子弹的地点、人员和时间表。第二年，盟军在诺曼底登陆，“阿尔索斯”突击队进入巴黎，分析了德国利用唯一的原子加速器的使用情况。9月，他们到了比利时首都布鲁塞尔，查获了德国曾从比利时获得98吨铀等重要情况。11月29日，突击队俘获了德国研制原子弹的7名重要科学家。1945年2月，“阿尔索斯”突击队又侦察到德国阿享附近的一个专门从事铀加工的工厂，美军当即派出轰炸机，投下1906吨炸弹，将其彻底摧毁。3月，突击队找到了德方重要的实验室，将其科学家全部俘获。4月，他们又在法兰克福获得了11吨铀产品。当月，德国研制核武器的计划在一个污水池里被搜寻出来。5月，在美军整整一个军团的配合下，“阿尔索斯”突击队采取最后行动，将最著名的科学家海森堡抓获……
究竟被抓获的德国研制原子弹的海森堡等大批科学家和大量宝贵的铀产品，都为“胖子”和“瘦子”提供了哪些重要技术参数和核材料，为美国原子弹研制过程作出了哪些贡献呢？从来没有丝毫透露过。
但人们完全能想象到：就在美国原子弹研制关键的1944年，他们不但起到了极为重要的作用，而且大大缩短了“曼哈顿工程”的完成时间。难怪美国负责“曼哈顿工程”的格罗夫斯将军说“抢到海森堡，比俘获10个德国师更有价值”。最著名的科学家是无价之宝，科学家成了美国最重要的战略武器。
据报道，日本军国主义政权曾要求希特勒支援制造原子弹的材料。1945年德国从基尔向日本派出的一艘装载560公斤铀氧化物的潜艇被美军截获。这批铀氧化物含3.5公斤的铀235，而3.5公斤铀235是制造一枚核弹所需量的1/5，美国人制造头三枚原子弹时曾使用了这艘潜艇上的铀。
美、英、加三国的科学力量共同协作，发挥各自的优势，各项工作不断取得可喜的成果。离原子弹研制成功的时间越来越近了。到1945年6月，原子弹基本研制成功。7月初，“小男孩”出世。7月16日早上5：30，人类第一枚原子弹装置在新墨西哥州的沙漠里试爆成功。这是各国科学家共同合作的结晶。
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