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(xún)委員會(huì )（Advisory Committee?on Uranium），負責研究鈾問(wèn)題。1941年11月，美國科學(xué)家得出可在3至4年內制造出原子彈的結論。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(jìn)行部署。1942年6月，美國決定由陸軍全面負責實(shí)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(chǎng)等統稱(chēng)為“代用材料實(shí)驗室”（Laboratory?for the Development of Substitute Materials）。8月13日，改稱(chēng)“曼哈頓工程區”（Manhattan Engineer District; MED）。9月中旬起，稱(chēng)作“曼哈頓工程”（Manhattan Project），用以指稱(chēng)整個(gè)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(shí)30分，美國在新墨西哥州南部的阿拉莫戈多（Alamogordo），成功進(jìn)行第一顆內爆式原子彈（钚彈）試驗。

美國的核物理研究基礎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。當時(shí)，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)習后，返回美國。30年代，德國、意大利等國家實(shí)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。

第二次世界大戰爆發(fā)前，美國的核物理研究已經(jīng)具備一定的基礎，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(shí)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(lèi)似實(shí)驗。A.H.康普頓（Arthur H.Compton，1892～1962）領(lǐng)導的芝加哥大學(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(shí)驗室，也在進(jìn)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(shí)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(shí)驗，分別獨立地證實(shí)物理學(xué)家猜測的核裂變鏈式反應，即一個(gè)中子引起一個(gè)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，釋放出巨大的能量。

1939年3月6日，德國入侵當時(shí)世界上最大的鈾供應國捷克斯洛伐克。在哥倫比亞大學(xué)的西拉德呼吁下，美國科學(xué)家幾個(gè)月內成立了一個(gè)專(zhuān)門(mén)審查自己成員文章的委員會(huì )，不再公開(kāi)發(fā)表有潛在軍事用途的研究文章。一些物理學(xué)家擔心德國會(huì )首先研制出原子彈，敦促美國政府采取行動(dòng)，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(shí)現核的自持式鏈式反應等進(jìn)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(huì )議上，費米與美國海軍軍官見(jiàn)面，在介紹用鏈式反應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(jué)，感到有必要讓美國政府重視此事，認為需要通過(guò)享有盛譽(yù)的科學(xué)家愛(ài)因斯坦（Albert Einstein，1879～1955），對時(shí)任美國總統羅斯福（Franklin D.Roosevelt，1882～1945）施加影響。在拜訪(fǎng)愛(ài)因斯坦后，西拉德為愛(ài)因斯坦起草了一封給羅斯福的信，8月2日愛(ài)因斯坦在信上簽名。信中明確說(shuō)明，鈾元素可能即將成為一種新的重要能源。最近4個(gè)月在法國和美國的研究進(jìn)展表明，有可能在大量的鈾當中實(shí)現鏈式反應，釋放出巨大能量，產(chǎn)生大量放射性元素，可以用來(lái)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(guò)于沉重，難以空運。建議美國政府與核物理學(xué)家建立長(cháng)期而持續的聯(lián)系，關(guān)注美國的鈾供應安全，提供資金以加速核物理實(shí)驗研究。愛(ài)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(jìn)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(wèn)）在與美國總統羅斯福會(huì )面時(shí)，遞交了愛(ài)因斯坦簽名的信，并解釋鈾裂變的應用價(jià)值，建議羅斯福任命專(zhuān)人或委員會(huì )負責美國政府與科學(xué)家之間的聯(lián)絡(luò )。羅斯福責成其軍事顧問(wèn)E.M.沃森（Edwin Martin Watson，1883～1945）將軍組織一個(gè)委員會(huì )負責此項事務(wù)。10月12日，美國成立鈾咨詢(xún)委員會(huì )。10月19日，羅斯福給愛(ài)因斯坦回信，告訴這位物理學(xué)家，已經(jīng)成立一個(gè)由陸海軍代表組成的委員會(huì )來(lái)研究鈾問(wèn)題。 1940年6月27日，美國成立國防研究委員會(huì )（National Defense Research Committee; NDRC），由華盛頓卡內基大學(xué)校長(cháng)布什（Vannevar Bush，1890～1974）擔任委員會(huì )主席，負責支持和協(xié)調可能具有軍事用途的科學(xué)研究。鈾咨詢(xún)委員會(huì )隸屬?lài)姥芯课瘑T會(huì )。布什隨即改組鈾咨詢(xún)委員會(huì )，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)現第94號元素钚239存在的跡象。同年，洛克菲勒基金會(huì )資助勞倫斯（美國國防研究委員會(huì )雷達小組的成員，關(guān)注核研究的軍事應用）100多萬(wàn)美元，在加州大學(xué)伯克利分校輻射實(shí)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(shí)钚239的存在，對其性質(zhì)展開(kāi)系統研究。3月，證實(shí)钚239可以裂變。 裂變現象能否用于制造實(shí)用的原子彈，這是至關(guān)重要的問(wèn)題。1941年春，鈾咨詢(xún)委員會(huì )的工作被指責進(jìn)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(gè)委員會(huì )來(lái)評估核裂變的軍事應用前景。5月17日，康普頓任主席的委員會(huì )提交第1份NAS報告，列舉鈾裂變3種可能的軍事應用：作為強放射性物質(zhì)、作為艦艇動(dòng)力和作為烈性炸彈，建議此后6個(gè)月大力加強裂變軍事應用問(wèn)題的研究。

鑒于國防研究委員會(huì )雖然能夠有效協(xié)調核科學(xué)研究，但難以組織工程實(shí)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(huì )成為科學(xué)研究發(fā)展辦公室的一個(gè)組成部分，由J.B.科南特（James Bryant Conant，1893～1978）負責。鈾咨詢(xún)委員會(huì )升級為科學(xué)研究發(fā)展辦公室的分部——S-1委員會(huì )，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(huì )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(lái)核研究的新發(fā)現，提出在大量的钚239中，快中子也可造成鏈式反應，釋放出來(lái)的能量可用于制造“超級炸彈”。 1941年夏，英國的莫德委員會(huì )（The MAUD Committee）——MAUD正式寫(xiě)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，當時(shí)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，在布什向美國總統羅斯福、副總統H.華萊士（Henry Wallace，1888～1965）報告核研究進(jìn)展時(shí)，羅斯福決定由他自己、副總統、戰爭部長(cháng)H.史汀生（Henry Stimson，1867～1950）、陸軍參謀長(cháng)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(gè)小組后來(lái)被稱(chēng)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(wàn)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(shí)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?？偨y。羅斯福認為如果研制原子彈可行，美國必須第一個(gè)制造出來(lái)。 研制原子彈的另一個(gè)關(guān)鍵是核材料的生產(chǎn)。對于鈾-235，當時(shí)美國的科學(xué)家在研究3類(lèi)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(guò)某些多孔膜時(shí)的透過(guò)系數差異分離同位素）；②離心法：利用不同質(zhì)量的氣體在旋轉時(shí)受的離心力不同分離同位素，效率高，但材料和離心泵的問(wèn)題需要解決，擴散法和離心法均由尤里負責；③電磁分離法：由勞倫斯負責，利用不同質(zhì)量的帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉不同，分離鈾同位素。

生產(chǎn)裂變材料钚239，需要實(shí)現自持式鏈式反應堆，并設法將钚-239從鈾中分離出來(lái)。費米在哥倫比亞大學(xué)用石墨作緩沖劑的“晶格式”指數實(shí)驗反應堆，中子增殖系數已高于0.9；對用重水作緩沖劑的反應堆，也在進(jìn)行研究。 至于核原料的供應，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?lài)嶁櫘a(chǎn)品。S-1委員會(huì )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(gè)反應堆只需要幾百?lài)嵮趸?，氧化鈾的供應不成?wèn)題。 1941年12月6日，布什將美國總統羅斯福對于美國必須第一個(gè)造出原子彈的考慮告知康普頓等人?？颇咸仉S即召開(kāi)S-1委員會(huì )會(huì )議，決定同時(shí)推進(jìn)3類(lèi)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，康普頓負責反應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(lái)的美國原子彈之父奧本海默負責研究和設計原子彈。

曼哈頓工程的實(shí)施

1942年初美國原子彈研究的進(jìn)展情況，在布什的一份報告中體現出來(lái)。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(chēng)美國的原子彈研制正在全速進(jìn)行，所需的裂變材料的數量原先設想的要少，預期威力更大，制造出原子彈的可能性更加明確。同時(shí)，布什認為美國正在就制造原子彈與德國展開(kāi)競賽。預計到1942年夏季，原子彈計劃將進(jìn)入建設試驗工廠(chǎng)的階段，需要由軍隊統一協(xié)調，才能迅速生產(chǎn)出足夠的核原料，制造出原子彈。建議屆時(shí)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)導執行的詳細報告，羅斯福立即批準。美軍接手原子彈計劃后，同時(shí)建設采用不同方法的鈾同位素分離工廠(chǎng)，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(chǎng)統稱(chēng)“代用材料實(shí)驗室”，最初由軍事工程部J.C.馬歇爾（James C.Marshall）上校負責整個(gè)計劃。8月13日，為避免人們好奇，“代用材料實(shí)驗室”更名為“曼哈頓工程區”——因其總辦公室最初擬設在美國紐約而得名。馬歇爾上校難以與科學(xué)顧問(wèn)們合作，又延誤計劃優(yōu)先權的升級和氣體分離工廠(chǎng)的選址達兩個(gè)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(shí)，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(shí)內就爭取到將原子彈計劃的優(yōu)先權由AA-3升級為AAA，并選定田納西州橡樹(shù)嶺（Oak Ridge）作為鈾同位素分離工廠(chǎng)基地——橡樹(shù)嶺核工廠(chǎng)一度占用美國電力供應的10%。此時(shí)，美國原子彈計劃已被稱(chēng)作“曼哈頓工程”。同年秋，S-1執行委員會(huì )（1942年5月，S-1委員會(huì )改組，精簡(jiǎn)為S-1執行委員會(huì )，主要任務(wù)是繼續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(jìn)行詳細考察后，決定首先采用氣體擴散法建設鈾分離工廠(chǎng)。12月，橡樹(shù)嶺核材料生產(chǎn)基地破土動(dòng)工。

在核反應堆中將鈾-238轉換為钚-239，是獲得核材料的另一個(gè)途徑。1942年之前，在鈾反應堆中實(shí)現的中子增殖系數略小于1。費米和康普頓認為改用金屬鈾和更高純度的石墨，增殖系數可以超過(guò)1.1，進(jìn)而能夠利用鈾-235鏈式反應產(chǎn)生的多余中子將鈾-238轉換成钚-239，獲得核材料。盡管重水反應堆的研究也取得進(jìn)展，但由于材料問(wèn)題，S-1執行委員會(huì )決定首先發(fā)展石墨反應堆。當時(shí)人們并不清楚鏈式反應的機制，考慮到發(fā)生事故的嚴重后果，計劃將反應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(shí)驗室建設進(jìn)展緩慢，費米和安德孫直接在芝加哥大學(xué)一個(gè)廢棄運動(dòng)場(chǎng)的房子內，用60噸金屬鈾、58噸氧化鈾和400噸石墨堆起一個(gè)自持式實(shí)驗反應堆。12月2日，芝加哥反應堆第一次自持式反應堆成功“點(diǎn)火”。起初，生產(chǎn)钚的大型反應堆計劃建在橡樹(shù)嶺。12月17日，由于安全和電力供應等問(wèn)題，決定建在漢福特（Hanford）。

研制原子彈涉及一系列復雜的理論和工程技術(shù)問(wèn)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(shí)核反應的有效時(shí)間、大小、質(zhì)量，以及具體設計原子彈等等——這方面的工作后來(lái)稱(chēng)為Y計劃，格羅夫斯選擇奧本海默負責Y計劃。1942年11月，在新墨西哥州洛斯-阿拉莫斯建設新的快中子反應和原子彈結構研究基地，這就是洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室（Los Alamos National Laboratory）。物理學(xué)家、化學(xué)家、工程師、軍械專(zhuān)家等在這個(gè)實(shí)驗共同工作。通過(guò)大量的理論計算和實(shí)驗測試，獲得了反應截面、自發(fā)裂變率等核物理數據，解決了擴散方程、臨界半徑、裂變前的中子活動(dòng)時(shí)間、爆炸力、引爆方法、彈體設計等問(wèn)題。

945年初，美國原子彈的彈體設計、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(guò)程中意外發(fā)現高自發(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，需要先進(jìn)行一次钚彈試驗加以驗證。1945年3月，美國政府同意實(shí)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(shù)嶺和漢福特工廠(chǎng)生產(chǎn)的核裝料陸續運抵洛斯阿拉莫斯國家實(shí)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(cháng)崎，綽號“胖子”（Fat Man）。鈾彈一枚，綽號“小男孩”（Little Boy），用于廣島。