原子彈的研製是眾多科學家智慧的凝結。
1938年，德國物理學家奧托·哈恩發現了核裂變。同年，原籍奧地利、後移居瑞典的物理學家莉澤·邁特納，利用愛因斯坦的相對論計算出了每個裂變原子核釋放的能量，從理論上解釋了哈恩發現的核裂變，由此奠定了原子彈和原子能的基礎。1939年1月25日，在意大利裔科學家恩利克·費米的指導下，美國哥倫比亞大學實驗室用迴旋加速器進行的鈾裂變試驗，再次證實了邁特納的實驗結果。
被愛因斯坦譽為“德國居里夫人”的莉澤·邁特納
1939年9月，第二次世界大戰在歐洲爆發。情報顯示，德國已經在海森堡開展原子彈的研究。
此前，那些親身遭受過希特勒迫害而從歐洲移居美國的科學家就一直擔心，如果納粹德國首先擁有這種新型炸彈，世界將有被毀滅的風險。於是，移居美國的匈牙利物理學家西拉德等人開始討論，怎樣促使美國政府注意德國可能研製出原子彈的問題。為此，西拉德和費米曾親自到華盛頓奔走遊說，結果卻遭到了拒絕。
當時，愛因斯坦已名動世界。於是，這批僑居美國的科學家只好將希望寄託在愛因斯坦身上。1939年7月，西拉德到長島拜訪了愛因斯坦，向他講明瞭鈾核裂變產生鏈式反應可能引起的嚴重後果。愛因斯坦當即表示，將盡力幫助西拉德。
隨後，西拉德又拜訪了羅斯福總統的好友兼私人顧問、經濟學家亞歷山大·薩克斯。
“曼哈頓計劃”實施期間的美國總統羅斯福
在多方努力下，美國的原子彈研製計劃應運而生，這就是“曼哈頓計劃”。羅斯福很快下達了總動員令，“曼哈頓計劃”隨即付諸實施。“曼哈頓計劃”的目的是趕在德國之前製造出原子彈，為避免計劃內容刺激納粹作出更瘋狂的舉動，是以“曼哈頓計劃”被列為最高級別機密。
1942年8月，尤利烏斯·羅伯特·奧本海默被任命為“曼哈頓計劃”的實驗室主任，整個計劃的經費是20億美元，參與人員達15萬。“氫彈之父”愛德華·泰勒將協助奧本海默，組織在羅沙拉摩斯工作的團隊。到1943年為止，共有約4000名科學家進駐羅沙拉摩斯，他們共同開展原子彈的研發工作。
後來，泰勒因執意研究“超級炸彈”，跟奧本海默產生了分歧進而發生了衝突，泰勒作證指控奧本海默同情共產黨，使得奧本海默陷入艱難的境地。不過，一眾科學家仍排除萬難，在“曼哈頓計劃”實施後不久就研製出了第一批原子彈。
原子彈試爆效果圖
1945年7月16日，由美國研製的世界上第一顆原子彈，在美國新墨西哥州阿拉摩高德空軍基地進行試爆。阿拉摩高德沙漠上發出的耀眼閃光及冒起的巨型蘑菇狀雲，宣示著“曼哈頓計劃”最終取得了成功。
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