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），負責研究鈾問題。1941年11月，美國科學家得出可在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等進行部署。1942年6月，美國決定由陸軍全面負責實施原子彈計劃。隨即，將研制原子彈研究基地、生產原子彈原材料與零部件的各種工廠等統稱為“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”（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，歐洲的科學和技術發展水平仍然領先于美國。當時，美國的一些青年學生，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習后，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前，美國的核物理研究已經具備一定的基礎，主要包括：以拉比為首的哥倫比亞大學物理系建成回旋加速器，費米、H.尤里（Harold Urey，1893～1981）、物理學家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）領導的芝加哥大學物理系和以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家猜測的核裂變鏈式反應，即一個中子引起一個鈾原子核裂變后，可產生更多的中子，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，德國入侵當時世界上最大的鈾供應國捷克斯洛伐克。在哥倫比亞大學的西拉德呼吁下，美國科學家幾個月內成立了一個專門審查自己成員文章的委員會，不再公開發表有潛在軍事用途的研究文章。一些物理學家擔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系。鄧寧、尤里、費米、西拉德等科學家，還對鈾同位素的工業分離、利用緩沖劑減緩裂變產生的中子速度、實現核的自持式鏈式反應等進行探索。

1939年3月7日，美國核物理學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家愛因斯坦（Albert Einstein，1879～1955），對時任美國總統羅斯福（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中實現鏈式反應，釋放出巨大能量，產生大量放射性元素，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家建立長期而持續的聯系，關注美國的鈾供應安全，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，德國已經停止從被占領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，經濟學家，羅斯福的朋友和私人顧問）在與美國總統羅斯福會面時，遞交了愛因斯坦簽名的信，并解釋鈾裂變的應用價值，建議羅斯福任命專人或委員會負責美國政府與科學家之間的聯絡。羅斯福責成其軍事顧問E.M.沃森（Edwin Martin Watson，1883～1945）將軍組織一個委員會負責此項事務。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，告訴這位物理學家，已經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），由華盛頓卡內基大學校長布什（Vannevar Bush，1890～1974）擔任委員會主席，負責支持和協調可能具有軍事用途的科學研究。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）發現第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，關注核研究的軍事應用）100多萬美元，在加州大學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，伯克利的化學家G.T.西博格（Glenn T.Seaborg，1912～1999）從化學上證實钚239的存在，對其性質展開系統研究。3月，證實钚239可以裂變。 裂變現象能否用于制造實用的原子彈，這是至關重要的問題。1941年春，鈾咨詢委員會的工作被指責進展緩慢、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院（National Academy of Sciences; NAS）組織一個委員會來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、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用問題的研究。

鑒于國防研究委員會雖然能夠有效協調核科學研究，但難以組織工程實施。1941年6月28日，美國成立科學研究發展辦公室（Office of Scientific Research and Development; OSRD，又譯科學研究發展局），布什任主任。原國防研究委員會成為科學研究發展辦公室的一個組成部分，由J.B.科南特（James Bryant Conant，1893～1978）負責。鈾咨詢委員會升級為科學研究發展辦公室的分部——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，當時英國對原子彈已經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，對美國國家科學院的第3份報告產生重要影響。

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）報告核研究進展時，羅斯福決定由他自己、副總統、戰爭部長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目標，1至10噸U-235裂變彈即可完成。原子彈的臨界質量為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。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鍵是核材料的生產。對于鈾-235，當時美國的科學家在研究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量不同的同位素，但效率太低）和氣體擴散法（利用不同質量的氣體穿過某些多孔膜時的透過系數差異分離同位素）；②離心法：利用不同質量的氣體在旋轉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；③電磁分離法：由勞倫斯負責，利用不同質量的帶電粒子在磁場中的偏轉不同，分離鈾同位素。

生產裂變材料钚239，需要實現自持式鏈式反應堆，并設法將钚-239從鈾中分離出來。費米在哥倫比亞大學用石墨作緩沖劑的“晶格式”指數實驗反應堆，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噸鈾產品。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。一個反應堆只需要幾百噸氧化鈾，氧化鈾的供應不成問題。 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計、核材料的生產以及相關工程等的分工。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研究和設計原子彈。

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，布什認為美國正在就制造原子彈與德國展開競賽。預計到1942年夏季，原子彈計劃將進入建設試驗工廠的階段，需要由軍隊統一協調，才能迅速生產出足夠的核原料，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，同時建設采用不同方法的鈾同位素分離工廠，以及其他研制、生產基地，并將研制原子彈研究基地、生產原子彈原材料和零部件等的各種工廠統稱“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”——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顧問們合作，又延誤計劃優先權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小時內就爭取到將原子彈計劃的優先權由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執行委員會（1942年5月，S-1委員會改組，精簡為S-1執行委員會，主要任務是繼續在核研究上作出技術決策，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鈾分離工廠。12月，橡樹嶺核材料生產基地破土動工。

在核反應堆中將鈾-238轉換為钚-239，是獲得核材料的另一個途徑。1942年之前，在鈾反應堆中實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1.1，進而能夠利用鈾-235鏈式反應產生的多余中子將鈾-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展，但由于材料問題，S-1執行委員會決定首先發展石墨反應堆。當時人們并不清楚鏈式反應的機制，考慮到發生事故的嚴重后果，計劃將反應堆建在離芝加哥大學不遠的阿貢（Argonne）森林。11月初，由于阿貢實驗室建設進展緩慢，費米和安德孫直接在芝加哥大學一個廢棄運動場的房子內，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堆。12月2日，芝加哥反應堆第一次自持式反應堆成功“點火”。起初，生產钚的大型反應堆計劃建在橡樹嶺。12月17日，由于安全和電力供應等問題，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、爆炸時核反應的有效時間、大小、質量，以及具體設計原子彈等等——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驗室（Los Alamos National Laboratory）。物理學家、化學家、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，獲得了反應截面、自發裂變率等核物理數據，解決了擴散方程、臨界半徑、裂變前的中子活動時間、爆炸力、引爆方法、彈體設計等問題。

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現高自發裂變率，只能以向心爆炸方式引爆。這是一種新觸發機構，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的核裝料陸續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。