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曼哈顿工程是是一项伟大的创举，它开创了科学、军事和工业的三位一体的“大科学”典范，具有领导统一、组织严密、分工明确、高效协调等优势，为成功提供了可靠的组织保证。同时，这也是一个生命、死亡和战争的疯狂竞赛。曼哈顿工程揭开了原子能的神奇之谜，也第一次把最具破坏力的武器——原子弹赋予了人类。
原子弹的发展可以追溯到1905年，著名物理学家爱因斯坦发表了划时代的论文《论运动物体的电动力学》，提出了狭义相对论和著名的核动力公式E=mc^2，为原子能的发现和利用奠定了理论基础。1938年意大利物理学家费米和德国物理学家哈恩、施特劳斯通过实验发现用中子轰击原子核就会产生核反应，这就是“裂变”。
最早注意到核裂变价值的是德国科学家，他们在核裂变研究中也处于世界领先地位。后来，率先研制出原子弹的却不是德国，主要原因就在于法西斯的残暴把大批科学家“让”给了美国。1933年希特勒上台后，疯狂迫害犹太人，在国外访问的爱因斯坦的书也被称为“犹太人邪说”而遭禁，他因此定居美国。费米、波尔、格拉德等科学家也逃出纳粹魔爪，到达了大西洋彼岸。居里夫妇的女婿约里奥(后为法国科学院院长、法共党员，也是钱三强的导师)则在德军占领挪威前夕，把制造核弹必须的200升重水运到美国，而此时全世界其他试验室中的重水加在一起不过几升。就此，美国在核研究方面已有了最优越的人力物力资源。1939年初，丹麦著名的物理学家波尔从两位刚从德国逃亡出来的物理学家那里知道德国已经开始研制原子弹的确切消息，他立即前往美国，将这一消息告诉正流亡在美国的费米、西拉德等科学家，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，那么人类就将面临史无前例的核灾难。
美国第32任总统 富兰克林·德拉诺·罗斯福
军队把整个计划取名为“代用材料发展实验室”，指派美国军事工程部的马歇尔上校负责全部行动。由于马歇尔上校循规蹈矩，与科学顾问们又合不来，使研究计划优先权的升级和气体分离工厂地址的选择拖延了两个月。1942年9月，政府战时办公室和军队高层领导决定，由格罗夫斯上校接替马歇尔上校。格罗夫斯在赴任之前，被提升为准将。因为马歇尔上校的总办公室最初将设在纽约城，他们决定把新管区的名称命名为“曼哈顿”。于是，“曼哈顿工程区(或简称为曼工区)”就这样诞生了。美国整个核研究计划不久后取名为“曼哈顿计划”。不久，加州伯克利大学的教授、著名的理论物理学家罗伯特·奥本海默为技术总顾问。
曼哈顿工程中集中了大量的物理学家、化学家、工程师、军人和当地的居民。实施曼哈顿计划中起到了决定性的作用的几个人：
由于不知道铀235三种裂变方法哪种效果最好，只好采取三种方法同时进行，因此整个“曼哈顿工程”规模异常庞大，共分为十六个分支工程，其中关键工程有四个：
其四是位于新墨西哥沙漠中的洛斯阿拉莫斯实验室，代号“Y计划”，这里既承担原子弹的总装任务，又负责原子弹的研制工作，是整个“曼哈顿工程”的核心，由奥本海默负责，实验室地址也是奥本海默亲自选定的。这里汇集了大批声名赫赫的科学家，因此洛斯阿拉莫斯实验室被戏称为“诺贝尔奖获得者集中营”。
在当科学家和技术专家们与阻碍生产裂变物质的各种难题——诸如铀矿石的来源、电磁分离器的导线等做斗争时，格罗夫斯将军和他的副官们也开始为建造大型工厂作准备。他们专门找荒凉偏僻的地方作为厂址。1942年9月，格罗夫斯他为“曼哈顿工程”购得了第一块土地，后来这里——田纳西州橡树岭（OakRidge）建成了饱含电磁与气体扩散两种铀同位素分离装置的厂区。
接下来是芝加哥。1942年秋天，康普顿和费尔米正打算在芝加哥大学建造世界上第一个原子反应堆。经过在安全问题上的据理力争，他们建议将反应堆实验室建造在大学的一个阴凉、通风的地下室里，位于废弃的斯塔格足球场西侧。
建造芝加哥反应堆是“曼哈顿工程”中最脏最累的工作。这个装置长10米、宽9米、高5.6米，形状如锥，内装52吨核反应材料，其中6吨是金属铀，另46吨是氧化铀。由一层铀一层石墨堆积而成，总共有57层，中间有洞，用来放置铀或铀氧化物的。堆中可以插入由镉制成的控制棒。为了建造它，技术员和技师们分成两组，每天24小时轮流摆放这些石墨砖块。一位科学家在轮班结束后，用力擦拭着粉尘大声说道：“如果人们知道我们花费了纳税人150万美元在干这种体力活，他们一定认为我们疯了！”
美国在1946年于比基尼环礁进行的核试行动 十字路口行动（英语：Operation Crossroads）
这次核反应持续二十八分钟后于下午4时零4分结束，从实验上论证了链式反应理论，为原子弹的制造提供了可靠的基础。实验中，科学家表现出了勇敢无畏的献身精神，甚至有几位年轻科学家自告奋勇，攀上高高的铁架，居高临下严密监视着反应的进行，随时准备一旦裂变失控就将几大桶镉溶液倒在反应堆上，使之迅速消耗反应中的中子，以阻止核爆炸的发生！
虽然还没有人知道制造一颗原子弹需要多少钚或铀235，需要1个反应堆抑或是1000个反应堆,但是在费米实验的提示下，科学家们预测大概需要六个核反应堆才能生产出足够的钚元素。每一个反应堆都将比那个藏在芝加哥大学足球场看台下500吨重的小家伙大上若干倍。把巨型的制钚反应堆安置在何处？这个问题又赫然出现在格罗夫斯的问题单上。早些时候，有人建议将反应堆仍安置在橡树岭，但这个提议遭到了否决。因为原子反应堆具有潜在的危险性，它们需要足够自由安全的空间。橡树岭作为生产铀235的基地，已经没有足够安全的空间安置巨型反应堆了。
1942年平安夜，地质勘测队在华盛顿州的汉福德的零星村庄附近，发现了一块面积为50万英亩的土地，认为那里可以作为理想的厂址。这个地方紧邻哥伦比亚河，这能为冷却反应堆提供足够的用水，并能从新建成的大峡谷和邦纳维尔水坝获得充足的能源动力。
随后在汉福德、橡树岭和洛斯阿拉莫斯，大型工厂雨后春笋般急剧增长。很多村庄在一夜之间拔地而起，这些村庄设施齐备，不仅有学校，还有教堂，而且一般都能容纳成千上万的工人。招募队伍每天都在附近的农村宣传、游说，企图招募更多的新雇员。此外截止到1943年中期，一共有超过30家的美国公司为“曼哈顿工程”工作。高峰时期，“曼哈顿工程”雇用了60万美国人。
但是人虽多，格罗夫斯在保密监管的各方面仍近乎于一个宗教狂热者，他会尽他所能让所有人员（除了极其少数的关键人物）无法知晓其职权范围以外的任何一点小事。比如说，一些女雇员在为气态扩散所需的滤镜加工原材料时，从来都不知道为什么每次月经时都会被转到其他工作组，后来才知道，原来是女雇员们的手在经期排汗比平时多，即使她们都戴着白手套，但也会让这些灵敏异常的金属材料有可能沾染有机物，从而影响其性能。甚至，连当时的副总统杜鲁门也是到罗斯副总统去世后才知晓“曼哈顿计划”存在的。在这三个基地，技术人员们每天都会面临层出不穷的难题，他们不得不一一解决这些棘手的问题——但是至少关键性的问题最终都是能解决的。到了1943年11月，在田纳西州的橡树岭，一项错综复杂的大型工程终于要结出胜利的果实了。在那里，电磁分离工厂的第一期工程已竣工，这是有史以来最大的磁铁，每个磁铁重达3000吨到10000吨不等，它们各自缠绕的银线圈重量少则12吨，多则21吨，为了获得这些性能优异的电磁线圈，美国先后动用了国库白银和银币达1.4万吨！。这些巨型磁铁具有威力无穷的吸引力，女雇员们一旦靠得太近，她们的发卡就会被吸走，那时她们精心梳理的头发会变得一团糟。