曼哈頓工程由一系列決策促成。1939年10月12日，美國成立鈾咨詢委員會（Advisory Committee?on Uranium），負責(zé)研究鈾問題。1941年11月，美國科學(xué)家得出可在3至4年內(nèi)制造出原子彈的結(jié)論。12月6日，美國對原子彈的理論研究、钚和鈾的分離和生產(chǎn)等進行部署。1942年6月，美國決定由陸軍全面負責(zé)實施原子彈計劃。隨即，將研制原子彈研究基地、生產(chǎn)原子彈原材料與零部件的各種工廠等統(tǒng)稱為“代用材料實驗室”（Laboratory?for the Development of Substitute Materials）。8月13日，改稱“曼哈頓工程區(qū)”（Manhattan Engineer District; MED）。9月中旬起，稱作“曼哈頓工程”（Manhattan Project），用以指稱整個美國原子彈計劃。3年后的1945年7月，美國制成1顆鈾彈、2顆钚彈共3顆原子彈。1945年7月16日凌晨5時30分，美國在新墨西哥州南部的阿拉莫戈多（Alamogordo），成功進行第一顆內(nèi)爆式原子彈（钚彈）試驗。

美國的核物理研究基礎(chǔ)與原子彈計劃的醞釀

20世紀20年代，歐洲的科學(xué)和技術(shù)發(fā)展水平仍然領(lǐng)先于美國。當(dāng)時，美國的一些青年學(xué)生，如猶太人I.I.拉比（Isidor Isaac Rabi，1898～1988）、J.R.奧本海默（Julius Robert Oppenheimer，1904～1967）等，前往英國、德國和丹麥等歐洲國家學(xué)習(xí)后，返回美國。30年代，德國、意大利等國家實行排猶政策，大批歐洲物理學(xué)家前往美國，如J.弗蘭克（James Franck，1882～1964）、E.費米（Enrico Fermi，1901～1954）、E.維格納（Eugene Wigner，1902～1995）、L.西拉德（Leo Szilard，1898～1964）等，成為美國核物理研究的中堅。

第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前，美國的核物理研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，主要包括：以拉比為首的哥倫比亞大學(xué)物理系建成回旋加速器，費米、H.尤里（Harold Urey，1893～1981）、物理學(xué)家J.R.鄧寧（John Ray Dunning，1907～1975）、西拉德、H.L.安德孫（Herbert L.Anderson，1914～1988）等在這里做中子物理實驗。維格納等在普林斯頓高等研究院（Institute for Advanced Study; IAS，又譯高級研究院）做類似實驗。A.H.康普頓（Arthur H.Compton，1892～1962）領(lǐng)導(dǎo)的芝加哥大學(xué)物理系和以E.O.勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence，1901～1958）為首的加利福尼亞州立大學(xué)伯克利分校輻射實驗室，也在進行核物理研究。1939年秋冬，美國的科學(xué)家做了大量核裂變的實驗，鄧寧、西拉德和W.辛恩（Walter Zinn，1907～2000）的研究小組、費米和C.D.安德孫（Carl David Anderson，1905～1991）以及H.漢斯泰因（H.Hanstein）的實驗，分別獨立地證實物理學(xué)家猜測的核裂變鏈式反應(yīng)，即一個中子引起一個鈾原子核裂變后，可產(chǎn)生更多的中子，引起更多的裂變，形成連鎖反應(yīng)，釋放出巨大的能量。

1939年3月6日，德國入侵當(dāng)時世界上最大的鈾供應(yīng)國捷克斯洛伐克。在哥倫比亞大學(xué)的西拉德呼吁下，美國科學(xué)家?guī)讉€月內(nèi)成立了一個專門審查自己成員文章的委員會，不再公開發(fā)表有潛在軍事用途的研究文章。一些物理學(xué)家擔(dān)心德國會首先研制出原子彈，敦促美國政府采取行動，支持核研究。 哥倫比亞大學(xué)的鄧寧等小組不斷提高鈾材料中鈾-235的含量，逐步確認只有鈾-235才能產(chǎn)生裂變，大致地估計了鈾-235的裂變截面，及其與入射中子的能量關(guān)系。鄧寧、尤里、費米、西拉德等科學(xué)家，還對鈾同位素的工業(yè)分離、利用緩沖劑減緩裂變產(chǎn)生的中子速度、實現(xiàn)核的自持式鏈式反應(yīng)等進行探索。

1939年3月7日，美國核物理學(xué)家首次與政府官員正式接觸。在一次會議上，費米與美國海軍軍官見面，在介紹用鏈式反應(yīng)做能源或炸彈的可能性后，獲得1500美元資助。西拉德對于用核變制造威力巨大武器的可能性更為警覺，感到有必要讓美國政府重視此事，認為需要通過享有盛譽的科學(xué)家愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955），對時任美國總統(tǒng)羅斯福（Franklin D.Roosevelt，1882～1945）施加影響。在拜訪愛因斯坦后，西拉德為愛因斯坦起草了一封給羅斯福的信，8月2日愛因斯坦在信上簽名。信中明確說明，鈾元素可能即將成為一種新的重要能源。最近4個月在法國和美國的研究進展表明，有可能在大量的鈾當(dāng)中實現(xiàn)鏈式反應(yīng)，釋放出巨大能量，產(chǎn)生大量放射性元素，可以用來制造威力極強的新型炸彈。用船只裝載這種新型炸彈，可以摧毀港口及其周邊地帶。但過于沉重，難以空運。建議美國政府與核物理學(xué)家建立長期而持續(xù)的聯(lián)系，關(guān)注美國的鈾供應(yīng)安全，提供資金以加速核物理實驗研究。愛因斯坦在信中還提醒羅斯福，德國已經(jīng)停止從被占領(lǐng)的捷克斯洛伐克出售鈾，可能柏林也在進行同樣的研究。

美國原子彈計劃的形成

1939年10月11日，薩克斯（Alexander Sachs，經(jīng)濟學(xué)家，羅斯福的朋友和私人顧問）在與美國總統(tǒng)羅斯福會面時，遞交了愛因斯坦簽名的信，并解釋鈾裂變的應(yīng)用價值，建議羅斯福任命專人或委員會負責(zé)美國政府與科學(xué)家之間的聯(lián)絡(luò)。羅斯福責(zé)成其軍事顧問E.M.沃森（Edwin Martin Watson，1883～1945）將軍組織一個委員會負責(zé)此項事務(wù)。10月12日，美國成立鈾咨詢委員會。10月19日，羅斯福給愛因斯坦回信，告訴這位物理學(xué)家，已經(jīng)成立一個由陸海軍代表組成的委員會來研究鈾問題。 1940年6月27日，美國成立國防研究委員會（National Defense Research Committee; NDRC），由華盛頓卡內(nèi)基大學(xué)校長布什（Vannevar Bush，1890～1974）擔(dān)任委員會主席，負責(zé)支持和協(xié)調(diào)可能具有軍事用途的科學(xué)研究。鈾咨詢委員會隸屬國防研究委員會。布什隨即改組鈾咨詢委員會，以強化美國的核研究計劃。

1940年初，E.麥克米倫（Edwin McMillan，1907～1991）和P.艾貝爾森（Philip Abelson，1913～2004）發(fā)現(xiàn)第94號元素钚239存在的跡象。同年，洛克菲勒基金會資助勞倫斯（美國國防研究委員會雷達小組的成員，關(guān)注核研究的軍事應(yīng)用）100多萬美元，在加州大學(xué)伯克利分校輻射實驗室建造重達4900噸的回旋加速器。1941年2月，伯克利的化學(xué)家G.T.西博格（Glenn T.Seaborg，1912～1999）從化學(xué)上證實钚239的存在，對其性質(zhì)展開系統(tǒng)研究。3月，證實钚239可以裂變。 裂變現(xiàn)象能否用于制造實用的原子彈，這是至關(guān)重要的問題。1941年春，鈾咨詢委員會的工作被指責(zé)進展緩慢、保守，而德國的核研究被認為很活躍。4月19日，布什決定由美國國家科學(xué)院（National Academy of Sciences; NAS）組織一個委員會來評估核裂變的軍事應(yīng)用前景。5月17日，康普頓任主席的委員會提交第1份NAS報告，列舉鈾裂變3種可能的軍事應(yīng)用：作為強放射性物質(zhì)、作為艦艇動力和作為烈性炸彈，建議此后6個月大力加強裂變軍事應(yīng)用問題的研究。

鑒于國防研究委員會雖然能夠有效協(xié)調(diào)核科學(xué)研究，但難以組織工程實施。1941年6月28日，美國成立科學(xué)研究發(fā)展辦公室（Office of Scientific Research and Development; OSRD，又譯科學(xué)研究發(fā)展局），布什任主任。原國防研究委員會成為科學(xué)研究發(fā)展辦公室的一個組成部分，由J.B.科南特（James Bryant Conant，1893～1978）負責(zé)。鈾咨詢委員會升級為科學(xué)研究發(fā)展辦公室的分部——S-1委員會，核研究成為美國最重要的軍事科研項目之一。 1941年7月11日，康普頓的委員會提交第2份NAS報告，將勞倫斯的一份報告作為附錄。勞倫斯在報告中回顧了5月17日第1份報告以來核研究的新發(fā)現(xiàn)，提出在大量的钚239中，快中子也可造成鏈式反應(yīng)，釋放出來的能量可用于制造“超級炸彈”。 1941年夏，英國的莫德委員會（The MAUD Committee）——MAUD正式寫作M.A.U.D.，源自對N.玻爾（Niels Bohr，1885～1962）1940年4月的一封電報的猜測與誤解——提交的原子彈報告表明，當(dāng)時英國對原子彈已經(jīng)形成比較清晰的理解，遠遠走在美國前面。10月3日，英國將莫德報告復(fù)件交給布什和科南特。英國的莫德報告，對美國國家科學(xué)院的第3份報告產(chǎn)生重要影響。

1941年10月9日，在布什向美國總統(tǒng)羅斯福、副總統(tǒng)H.華萊士（Henry Wallace，1888～1965）報告核研究進展時，羅斯福決定由他自己、副總統(tǒng)、戰(zhàn)爭部長H.史汀生（Henry Stimson，1867～1950）、陸軍參謀長G.C.馬歇爾（George C.Marshal，1880～1959）、布什和科南特組成6人小組，決定美國原子彈政策，這個小組后來被稱為最高政策小組（The Top Policy Group）。 1941年11月6日，康普頓在第3份也是最后一份NAS報告中估計，50萬噸TNT才能摧毀的軍事和工業(yè)目標，1至10噸U-235裂變彈即可完成。原子彈的臨界質(zhì)量為2至100千克，美國3至4年可以制造出原子彈。認為美國實施原子彈計劃緊急而又重要。布什接到康普頓的報告后，立即報告美國羅斯福總統(tǒng)。羅斯福認為如果研制原子彈可行，美國必須第一個制造出來。 研制原子彈的另一個關(guān)鍵是核材料的生產(chǎn)。對于鈾-235，當(dāng)時美國的科學(xué)家在研究3類不同的鈾同位素分離方法。①擴散法：包括熱擴散法（利用克勞修斯熱平衡原理分離質(zhì)量不同的同位素，但效率太低）和氣體擴散法（利用不同質(zhì)量的氣體穿過某些多孔膜時的透過系數(shù)差異分離同位素）；②離心法：利用不同質(zhì)量的氣體在旋轉(zhuǎn)時受的離心力不同分離同位素，效率高，但材料和離心泵的問題需要解決，擴散法和離心法均由尤里負責(zé)；③電磁分離法：由勞倫斯負責(zé)，利用不同質(zhì)量的帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)不同，分離鈾同位素。

生產(chǎn)裂變材料钚239，需要實現(xiàn)自持式鏈式反應(yīng)堆，并設(shè)法將钚-239從鈾中分離出來。費米在哥倫比亞大學(xué)用石墨作緩沖劑的“晶格式”指數(shù)實驗反應(yīng)堆，中子增殖系數(shù)已高于0.9；對用重水作緩沖劑的反應(yīng)堆，也在進行研究。 至于核原料的供應(yīng)，1941年初，美國、加拿大等地存放有約2000噸氧化鈾，兩國的鈾礦每月還能提供幾百噸鈾產(chǎn)品。S-1委員會估計，最小的原子彈只需不到10千克的鈾-235，提煉每千克鈾-235需要的氧化鈾少于1噸。一個反應(yīng)堆只需要幾百噸氧化鈾，氧化鈾的供應(yīng)不成問題。 1941年12月6日，布什將美國總統(tǒng)羅斯福對于美國必須第一個造出原子彈的考慮告知康普頓等人。科南特隨即召開S-1委員會會議，決定同時推進3類鈾同位素分離方法，確保為原子彈研制提供所需核材料，確定了原子彈的研究和設(shè)計、核材料的生產(chǎn)以及相關(guān)工程等的分工。其中，康普頓負責(zé)反應(yīng)堆的研制以及钚的分離、生產(chǎn)和快中子和原子彈的理論研究——半年后的1942年6月，康普頓指定未來的美國原子彈之父奧本海默負責(zé)研究和設(shè)計原子彈。

曼哈頓工程的實施

1942年初美國原子彈研究的進展情況，在布什的一份報告中體現(xiàn)出來。1942年3月9日，在給羅斯福、史汀生、馬歇爾和華萊士的報告中，布什稱美國的原子彈研制正在全速進行，所需的裂變材料的數(shù)量原先設(shè)想的要少，預(yù)期威力更大，制造出原子彈的可能性更加明確。同時，布什認為美國正在就制造原子彈與德國展開競賽。預(yù)計到1942年夏季，原子彈計劃將進入建設(shè)試驗工廠的階段，需要由軍隊統(tǒng)一協(xié)調(diào)，才能迅速生產(chǎn)出足夠的核原料，制造出原子彈。建議屆時把全部的研制和生產(chǎn)管理移交給軍隊。6月17日，布什又提交了一份將原子彈計劃全部移交美軍領(lǐng)導(dǎo)執(zhí)行的詳細報告，羅斯福立即批準。美軍接手原子彈計劃后，同時建設(shè)采用不同方法的鈾同位素分離工廠，以及其他研制、生產(chǎn)基地，并將研制原子彈研究基地、生產(chǎn)原子彈原材料和零部件等的各種工廠統(tǒng)稱“代用材料實驗室”，最初由軍事工程部J.C.馬歇爾（James C.Marshall）上校負責(zé)整個計劃。8月13日，為避免人們好奇，“代用材料實驗室”更名為“曼哈頓工程區(qū)”——因其總辦公室最初擬設(shè)在美國紐約而得名。馬歇爾上校難以與科學(xué)顧問們合作，又延誤計劃優(yōu)先權(quán)的升級和氣體分離工廠的選址達兩個月。

1942年9月，美軍決定讓陸軍工程兵團建筑部副主任L.R.格羅夫斯（Leslie R.Groves，1896～1970）上校接替馬歇爾上校。同時，馬歇爾將軍指示將格羅夫斯提升為準將。格羅夫斯履職后，在48小時內(nèi)就爭取到將原子彈計劃的優(yōu)先權(quán)由AA-3升級為AAA，并選定田納西州橡樹嶺（Oak Ridge）作為鈾同位素分離工廠基地——橡樹嶺核工廠一度占用美國電力供應(yīng)的10%。此時，美國原子彈計劃已被稱作“曼哈頓工程”。同年秋，S-1執(zhí)行委員會（1942年5月，S-1委員會改組，精簡為S-1執(zhí)行委員會，主要任務(wù)是繼續(xù)在核研究上作出技術(shù)決策，科南特任主席）在對美國核研究再次進行詳細考察后，決定首先采用氣體擴散法建設(shè)鈾分離工廠。12月，橡樹嶺核材料生產(chǎn)基地破土動工。

在核反應(yīng)堆中將鈾-238轉(zhuǎn)換為钚-239，是獲得核材料的另一個途徑。1942年之前，在鈾反應(yīng)堆中實現(xiàn)的中子增殖系數(shù)略小于1。費米和康普頓認為改用金屬鈾和更高純度的石墨，增殖系數(shù)可以超過1.1，進而能夠利用鈾-235鏈式反應(yīng)產(chǎn)生的多余中子將鈾-238轉(zhuǎn)換成钚-239，獲得核材料。盡管重水反應(yīng)堆的研究也取得進展，但由于材料問題，S-1執(zhí)行委員會決定首先發(fā)展石墨反應(yīng)堆。當(dāng)時人們并不清楚鏈式反應(yīng)的機制，考慮到發(fā)生事故的嚴重后果，計劃將反應(yīng)堆建在離芝加哥大學(xué)不遠的阿貢（Argonne）森林。11月初，由于阿貢實驗室建設(shè)進展緩慢，費米和安德孫直接在芝加哥大學(xué)一個廢棄運動場的房子內(nèi)，用60噸金屬鈾、58噸氧化鈾和400噸石墨堆起一個自持式實驗反應(yīng)堆。12月2日，芝加哥反應(yīng)堆第一次自持式反應(yīng)堆成功“點火”。起初，生產(chǎn)钚的大型反應(yīng)堆計劃建在橡樹嶺。12月17日，由于安全和電力供應(yīng)等問題，決定建在漢福特（Hanford）。

研制原子彈涉及一系列復(fù)雜的理論和工程技術(shù)問題，如原子彈的核材料（用鈾-235還是用钚-239，或者二者都用），又如原子彈的爆炸機理、引爆機制、爆炸時核反應(yīng)的有效時間、大小、質(zhì)量，以及具體設(shè)計原子彈等等——這方面的工作后來稱為Y計劃，格羅夫斯選擇奧本海默負責(zé)Y計劃。1942年11月，在新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯建設(shè)新的快中子反應(yīng)和原子彈結(jié)構(gòu)研究基地，這就是洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）。物理學(xué)家、化學(xué)家、工程師、軍械專家等在這個實驗共同工作。通過大量的理論計算和實驗測試，獲得了反應(yīng)截面、自發(fā)裂變率等核物理數(shù)據(jù)，解決了擴散方程、臨界半徑、裂變前的中子活動時間、爆炸力、引爆方法、彈體設(shè)計等問題。

945年初，美國原子彈的彈體設(shè)計、部件的制造基本完成。其中，對鈾-235裂變性質(zhì)的掌握比較充分，采用的槍式引爆機制成熟可靠，鈾彈的研制較為順利。但在钚彈研制過程中意外發(fā)現(xiàn)高自發(fā)裂變率，只能以向心爆炸方式引爆。這是一種新觸發(fā)機構(gòu)，需要先進行一次钚彈試驗加以驗證。1945年3月，美國政府同意實施代號為“翠尼提”（Trinity，又譯三位一體）的钚原子彈試驗計劃。 1945年春、夏，橡樹嶺和漢福特工廠生產(chǎn)的核裝料陸續(xù)運抵洛斯阿拉莫斯國家實驗室。7月，制成三枚原子彈。其中，钚彈兩枚，一枚用于試驗，綽號“小玩意”（Gadget）；另一枚用于長崎，綽號“胖子”（Fat Man）。鈾彈一枚，綽號“小男孩”（Little Boy），用于廣島。