1939年8月2日，罗斯福总统收到了爱因斯坦的一封信。信中，这位著名科学家鼓励美国研发核武器，以防纳粹德国领先。

在这封信和一些其他委员会报告的影响下，罗斯福总统授权国防研究委员会开发核武器，并于1941年6月28日签署8807号总统令，成立了由范内瓦·布什(Vannevar Bush)为首任主任的美国科学研究局。

为了直接解决核研究的需求，该办公室又成立了由李曼·布里格斯(Lyman Briggs)牵头的S1铀委员会。

1941年12月18日，也就是日本偷袭珍珠港后不久，S1铀委员会举行了首次正式会议。参会的有美国顶尖的科学家，包括亚瑟·康普顿(Arthur Compton)、艾格尔·莫弗瑞(Eger Murphree)、哈罗德·尤里(Harold Urey)和欧内斯特·劳伦斯(Ernest Lawrence)等人。

他们决定推动探索多种提取铀-235的方法以及不同的反应器设计。1942年6月，这一提议最终得到了罗斯福总统的批准，并获得了项目资金。

最初该研究项目被称为“替代材料开发”(Development of Substitute Materials)，8月13日，又根据所在工厂区域被重新定名为“曼哈顿”。

1943年8月，英美签订《魁北克协议》，共同合作研制核武器。著名科学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、奥托·弗里希(Otto Frisch)、克劳斯·福克斯(Klaus Fuchs)和鲁道夫·皮尔斯(Rudolf Peierls)等人也加入到曼哈顿计划中。

橡树岭国家实验室和汉福德研究中心主要从事铀浓缩和钚生产。在铀浓缩工艺中，该团队曾使用包括电磁分离法、气体扩散法和热扩散法等多种浓缩方法。

由奥本海默领导的洛斯阿拉莫斯国家实验室负责原子弹最后的制造。科学家们早期的工作主要聚焦于“枪式法”设计。该方法是将一片铀235射入另一片，由此产生核链式反应。这种方式被证明对开发铀弹的前景光明，但对钚弹则要差一些。

由于在原料方面钚比铀相对更充足，科学家们于是开始开发用于钚弹的“内爆法”。1944年7月，曼哈顿计划的大部分精力已集中于钚设计，铀弹不再是重点。

1945年初，汉福德中心三座反应堆所生产的浓缩钚被不断运往洛斯阿拉莫斯国家实验室。这些材料被用于第一颗原子弹试验，以及最终投降长崎的原子弹“胖子”(Fat Man)。

随着研究越来越趋于复杂，奥本海默认为在正式生产前有必要进行一次核试验。1945年7月16日早晨5点半，新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家在美国空军基地一处试验场引爆了一个2.1万吨TNT当量的钚弹“小玩意”(The Gadget)，这是世界上第一颗原子弹。

奥本海默从约翰·邓恩(John Donne)的诗作中得到灵感，将该试验场地命名为“三位一体”。试验本来安排在早上4点，但由于突然下雨被推迟至5点半。

核弹引爆后，一片巨大的蘑菇云出现在4万英尺（约12公里）的高空，标志着核试验的成功。在这次成果的基础上，曼哈顿计划的科学家们继续将其不断完善。

二战接近尾声，由于日本拒不投降，杜鲁门总统下令动用核武轰炸广岛。1945年8月6日早上8点15分，采用“枪式法”引爆的名为“小男孩”(Little Boy)的铀弹在离地面1,900英尺（约580米）的高空爆炸，其威力相当于1.3-1.5万吨TNT炸药。

这次核爆直接造成7万到8万人死亡（加上此后受伤和辐射导致的死亡，最终遇难者人数在9万-16.6万之间），影响范围达4.7平方英里。

三天后，采用“内爆法”引爆的钚弹“胖子”在长崎爆炸，释放出2.1万吨TNT炸弹的能量。根据不同统计，这枚核弹共造成3.9万-8万人死亡，其中有一半人当场死亡。两颗核弹爆炸后，日本很快无条件投降，给二战画上了句号。

曼哈顿计划耗资20亿美元，涉及30多个实验室，参与人数达13万之多，是二战期间美国最大的项目之一。该项目成功开启了核时代，从此核能被用于军事与和平开发用途。

尽管曼哈顿计划一直处于保密之中，但包括科学家克劳斯·福克斯在内的间谍还是让苏联在战争期间对该项目进行了成功的渗透。

1949年，苏联爆破第一颗原子弹，结束了美国的核霸权时代。

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