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第二次世界大战，是人类历史上最大的一场劫难。1932年，希特勒一当上德国总理，就开始了重新武装德国，到1936年3月7日，希特勒下令德军开进“凡尔赛和约”明确规定的非军事区莱茵地区，纳粹德国的战争机器已正式开动了。1938年3月，德军占领奥地利，1938年9月，德、英、法三国签署了臭名昭著的“慕尼黑协定”，希特勒又得到了对捷克斯洛伐克的控制权。英国首相张伯伦在返回伦敦时还自欺欺人地宣布：“我相信这是我们时代的和平。”事实上，战争已经迫在眉睫。不到一年，德军入侵波兰，第二次世界大战全面爆发。
1938年，奥托和弗里茨用中子轰击重元素铀，成功地证明了从原子裂变中可得到巨大的能量。这就是说，只要把这个实验转为实用，就能制造出令人生畏的原子弹。
1939年，德国先召开了研制“铀设备”的会议，然后成立了“德国铀协会”和“德国原子俱乐部”，设立了在帝国研究委员会领导之下的核研究机构。
1940年，德国军方调集了德国当时世界著名的科学家制订了一份核研究的详细计划。参与这个计划的科学家包括获得1932年诺贝尔物理学奖的量子力学专家维尔纳·海森堡、著名物理学家布格雷博士和在分离同位素领域有极深造诣的哈塔克教授和格罗斯教授等人。以当时德国的工业实力、科技水平、获得原料的能力，制造原子弹应该只是个时间的问题。
1942年，前苏联人得知了美国人原子弹的研制计划，斯大林这位在世界范围内下棋的高手感到形势紧迫，再次亲自召开会议，决定全力以赴研制原子弹。就在这一年，前苏联地质学家终于在中亚的乌拉尔等地区找到了铀矿。于是，前苏联在西伯利亚建立了8个加工浓缩铀的工厂和1个原子研究中心。为解决铀原料不足的问题，前苏联科学家采取了对铀再加工，以得到较多的钚来代替铀作为原子弹的主要原料。由于前苏联此时既没有足够的铀来进行原子反应堆的各项实验，也没有时间来进行如此复杂的研究，因此，前苏联科学家只好以理论估算代替反应堆的实验，这样做虽然无法制造出实用的原子弹，但制造一个核爆炸装置的进度却大大加快了。
1943年9月，前苏联第一个核爆炸装置研制出来了，并完成了试爆前的各项准备工作。前苏联“铀原子研究委员会”决定于9月10日在一个荒芜人烟的湖心岛上，进行人类历史上的第一次核爆炸试验。这时，参加试验的各位科学家和参观的人们，按要求进入了距试验中心1000米以外的地下掩体内，但物理学家别特尔萨克却不愿进入掩体内，他想观察一下核爆炸的实际情况。他不相信这么小的一个核爆炸装置会有那么大的威力，他认为1000米远的距离足够安全了，没有必要进入掩体内。其他几位科学家劝别特尔萨克进入掩体，但别特尔萨克坚持不肯，而其他几位科学家由于没有进行过反应堆的试验，仅凭理论的估算，难以找到充分的理由说服这位固执的物理学家。于是，别特尔萨克就留在掩体外来观看核爆炸的情况。
核爆炸试验十分成功，爆炸威力大得惊人，相当于1000吨TNT炸药的当量，爆炸结果也基本证实了科学家们的理论估算。唯一不幸的是，别特尔萨克在核爆炸时被炸得无影无踪，他太低估了核爆炸的威力，结果成了死于核爆炸的第一个人。
至此，前苏联制造出能实用的原子弹只是个时间问题了！
对于各大国在研制原子弹领域上展开的激烈竞争，日本更是不肯落后，特别是日本有核物理方面在世界上也颇有名气的几位专家，如东京理化所主任二阶义男，大阪大学教授菊池正士和荒胜文策等人，尤其是荒胜文策教授，1934年曾进行过人工轰击原子的实验并获得了成功。这使日本研究原子弹至少在专家方面还是有条件的。
1940年，日本军方得知前苏联和美国等国正在进行威力巨大的原子弹的研制，立即引起密切注意，并决心着手进行研制。1941年5月，日本陆军航空兵科技所所长安田竹生将军正式接到研制原子弹的命令。安田竹生遂命令二阶义男主持代号为“二号研究”的项目，研究制造铀弹的可行性。
第二年，日本海军部也对原子弹的研制发生了兴趣，于7月在东京召开了“核物理成就利用委员会”第一次会议，讨论了原子能用于军事的可能性和日本能否在战争中制造出原子弹，结论是肯定的。于是，海军部将这一任务交给了京都大学的荒胜文策教授。这样，日本就同时有两个机构在进行原子弹的研制工作。
对于日本来说，研制原子弹最大的困难是没有铀原料，因为日本是岛国，当时还没有找到铀矿，这似乎是无米之炊。为此，日本陆军只好利用与德国的结盟关系，向纳粹德国提出了支援2.5吨铀的请求。德国还真很慷慨，立即答应了日本的要求，并派潜艇先运1吨铀到日本，但这艘潜艇在驶至马来西亚附近海域时，被美军舰队击沉，日本仍未解决铀原料问题。为此，日本把希望寄托于中国华北的土地上，但令日本失望的是，也未找到可利用的沥青铀矿。这样一直到1943年，日本还未解决铀原料。只在中国东北采到了4000多公斤含有铀的稀土铌酸盐矿物，送往日本进行提铀，但由于这种矿物质含铀量低，提纯成本将上升上千倍，根本不具备提纯的可能。
1938年12月，流亡到美国的意大利科学家费米等人，经过了连续4昼夜的原子分裂试验，证明了链式反应的可能性。费米指出：铀原子核裂变的过程中会有中子放射出来，并继续使未裂变的铀核分裂，如此反应下去，直到铀元素全部分裂为止。反应过程中会释放出巨大的能量。由于两次裂变之间的时间极短，所以巨大的能量是在瞬间释放出来的。其形成的爆炸力从理论上计算，将是同质量TNT炸药的2000万倍。
经过这次试验后，科学家们已经证明了研制原子弹的可能性，于是，以费米、西德拉、泰勒为首的科学家开始在各地寻求支持，并向美国总统罗斯福起草了一份研制原子弹的建议，著名科学家爱因斯坦也在建议上签了名。
1939年8月，这份签有诸多著名科学家的建议书，送到了美国总统罗斯福的办公桌上。经过近两个月的反复研究论证，罗斯福于10月19日正式签署了研制原子弹的文件。两天后，美国成立了研究原子武器的委员会，代号为“S-11”，主要成员有陆军部长史汀生、范尼伐·布希博士、哈佛大学校长科南特博士等人，爱因斯坦是该委员会的顾问。至此，美国也正式加入到原子弹研制的竞争行列。经过两年多的研究，美国原子弹研制计划取得了重大进展，一是证明了任何能量的中子都会使铀（235）原子裂变，二是发现了钚（239）也像铀（235）一样，能在慢中子的轰击下发生裂变。由于美国政府最初投入的经费不足，仅为6000万美元，因此，还未能建立起原子反应堆。
1941年下半年，美国加快了原子弹的研制速度。12月，美国总统罗斯福批准了一项规模浩大的原子弹研究计划。第二年8月，“S-11”委员会决定成立一个权限极大、范围极广的原子弹研究机构，直接对总统负责，连副总统杜鲁门都不知道美国的核研究计划。这个研究机构就是众所周知的“曼哈顿工程”，它将原来分散在各军种、各大学、各实验室的核研究工作统一起来，进行了统筹计划和明确分工。参加“曼哈顿工程”的总人数达15万之多，仅著名的科学家就有数百人，博士近千人，工程之大令人瞠目。
“曼哈顿工程”下设16项分支工程，由世界著名的科学家负责。有由恩里克·费米负责进行链式反应试验的费米小组；有由佩汀负责研究铀生产技术的佩汀小组；有由西伯格领导的研究钚生产技术的西伯格小组；有由奥本海默领导的“V计划”小组，负责研究制造裂变材料的技术和原子弹总装工程等。
费米小组于1942年12月2日建成了世界上第一座铀—石墨原子反应堆。这个反应堆高5.6米、长10米、宽9米，里面可装核反应材料52吨，这个装置总重量达1400吨。在这个反应堆中进行了人类历史上第一次人工控制的核反应，从实践上证明了链式反应理论的正确性，为原子弹的制造奠定了坚实的基础。
佩汀领导的小组解决了由天然铀（含铀0.7％左右）提纯高浓度铀（含铀90％以上）的技术，并于1943年6月21日在美国田纳西州建立了两座规模很大的K-25铀离析工厂，为美国生产原子弹提供了充足的铀原料。
1945年7月，就在第二次世界大战已接近尾声，纳粹德国和意大利已彻底失败，垂死挣扎的日本也是僵尸一具，各大国不遗余力、不惜血本研制的原子弹，在这场战争中已基本失去实际意义的时候，美国以20多亿美元的代价，15万人的努力，耗时5年多的时间，终于制造出3颗原子弹，一枚是以铀（235）为装料的原子弹，取名为“小男孩”，另外两枚是以钚为装料的原子弹，取名为“胖子”和“大男孩”。
为了解原子弹真正的威力，美国政府决定用“大男孩”进行实弹试验，试验场选在新墨西哥州阿拉默果尔多空军基地的沙漠上。奥本海默给试验场取名为“三一”试验场。试验场38.6公里长，29公里宽，场地中间建立了一个高30米的铁塔，以放置“大男孩”。425名科学家和军事专家怀着复杂的心情，隐蔽在14公里以外的观察所里，等待着这惊心动魄的一刻。
1945年7月16日5时30分，世界上第一颗原子弹在“三一”试验场爆炸了。一道令人炫目的白光闪过后，一个让人难以想象的银白色大火球，伴随着持续不断的巨响升到空中。大火球在比所有龙卷风还强烈的气浪怒吼中，一面上升，一面不断改变颜色，先是银白色，再是橙色，后是红色。火球下面随之升起一朵巨大的蘑菇云，升到1200米的高空。爆炸“零区”产生了1亿个大气压，温度竟达到太阳表面温度的1万倍，30米高的铁塔化为乌有，塔下形成了一个半径400多米的弹坑，在距爆心700米的范围内，地面上的土壤竟成了翡翠色的放射性玻璃盘。爆炸威力原估计为几百吨，而实际上达到了2万吨。
奥本海默望着这虽然壮观但很残酷的景象，心中忽然想起了一首古印度圣诗中的诗句：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威；只有一千个太阳，才能与其争辉。”
美国早在1943年9月，原子弹离制造出来还有很远的一段路要走之时，就作出决定，使用B-29轰炸机为母机，在纳粹德国投掷原子弹。1944年5月，又成立了专门投掷原子弹的第509特混大队。令美国人哭笑不得的是，纳粹德国没能坚持到美国研制出来原子弹就彻底战败了，美国制造出来的原子弹已没有别的选择，只有还剩下半口气的日本。因此，1945年5月8日，美国在纳粹德国投降的当天，决定以原子弹袭击日本，选定的目标为广岛、小仓、新渴和长崎4个城市。
1945年8月6日，美国第509特混大队的3架飞机飞到了长崎市上空，拥有40多万人口的长崎市不知道前所未有的灾难已经不可避免地来临了。8时17分，代号“小男孩”的原子弹从天而降，在距地面617米的高空爆炸了。人类历史上第一枚用于战争的原子弹造成了超过20万人的死亡，把日本第8大城市几乎夷为平地。