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当原子弹的蘑菇云在日本广岛和长崎先后升起时，中国还是一个积贫积弱的农业国，几乎没有重工业，科技水平也很落后，文盲率高达80%。在这种情况下，中国想要在短期内研制出原子弹，无异于痴人说梦。原子弹对中国意味着什么？中国要不要研制原子弹？中国该如何研制原子弹？这三个问题同时摆在蒋介石和毛泽东的面前。很显然，蒋介石回答得不太正确，导致他的原子弹计划几乎一无所获。
要研制原子弹，首先要正确认识原子弹。早在1946年8月6日，毛泽东就向美国记者安娜·路易斯·斯特朗指出：“原子弹是美国反动派用来吓人的一只纸老虎，看样子可怕，实际上并不可怕。当然，原子弹是一种大规模屠杀的武器。但是决定战争胜败的是人民，而不是一两件新式武器。”
毛泽东关于原子弹的上述论断其实包含着“原子弹是纸老虎”和“原子弹是真老虎”这两层意思，也符合他一贯坚持的“在战略上藐视敌人，在战术上重视敌人”的战略战术思想。如果忽视毛泽东认为原子弹还有“真老虎”的一面，就无法解释中国后来为什么会克服各种困难，坚持研制原子弹。如果原子弹纯粹只是一个吓唬人的工具，无法对中国构成真实的威胁，那么中国就没有必要研制原子弹。正是为了防御帝国主义的核打击，中国才需要不惜代价地铸造核盾牌。也正是因为看到原子弹在军事上和政治上的巨大价值，中国共产党才在延安时期就开始团结和保护海内外核物理人才，为将来中国研制原子弹做准备。
1945年夏，中央职工运动委员会书记邓发在英国伦敦海员工会约见钱三强。当时钱三强正在布里斯托大学鲍威尔实验室学习原子核乳胶技术。邓发向钱三强介绍了延安和全国革命形势，建议他以导师为榜样加入中国共产党。1946年1月，邓发在回国前特意邀请钱三强参加中共旅法支部扩大会议，并当众称他为同志。钱三强后来回忆说：“他们回国前，邓发同志还热情地同我照相，并且动身前夜向在巴黎的党员谈话，还邀我参加。当时我很受感动，觉得很惭愧，因为舍不得放弃科学研究而不能同吴新谋同志一同入党。我还记得他说：‘我们与蒋介石在抗日立场上是联合的，但是他反复不定，将来可能与我们发生严重的斗争，因此同志们不要过分暴露，尤其是最近将要回国的同志。’邓发同志给我的印象与教育非常之深，我思想的进步和转变与他很有关系。”
1946年7月7日，钱三强在旅法华侨和平促进会成立大会上与国民党特务进行了英勇和机智的斗争。当时法国报纸上刊登了蒋介石破坏政协、发动内战等消息，中共巴黎支部副书记孟雨找钱三强商量组织旅法华侨和平促进会一事，钱三强当即表示完全支持，并愿意积极参加。开会时，国民党特务率领四百多名打手携带武器霸占了会场，而参会的进步华侨只有一百多人。在这种情况下，反动派凭借人数优势，有可能使会议通过对蒋介石有利的议案。正义感及愤怒使钱三强冒着生命危险，登台痛斥蒋介石利用美援发动内战，企图消灭进步力量的迷梦，成功扰乱了会场，使之散会。会后巴黎小报在报道此事时称赞钱三强是“李逵式的人物”，单刀直入，敌人望风披靡。
1948年初，钱三强准备启程回国到清华大学任职。为了防止钱三强在回国途中或回国后遭遇不测，中共旅法支部负责人曾出面劝说他推迟行程，但是没能成功。2月的一天，中共欧洲工作组党组书记刘宁一在巴黎卢森堡公园约见钱三强，讨论他的回国问题。在听完钱三强解释为何选择此时回国后，刘宁一支持他回国后到北方工作，认为不久之后国内形势将发生大变化。
刘宁一还叮嘱钱三强：回去后，就在那里埋头教书，什么会也不要参加，只讲科学，不讲政治。国内目前形势很复杂，谁进步谁落后，你一时闹不清，最好多观察，坚持到新形势的到来。
从1948年底到1949年初，中国人民解放军先后取得三大战役的伟大胜利，全国解放指日可待。此时，已经在东北和华北建立人民政权的中国共产党终于有条件考虑如何发展科技事业。为了解决科技人员短缺问题，中共中央积极动员旅居海外的科技人才回国效力。1949年夏，周恩来向外交部门有关同志说：你们的中心任务是动员在美国的中国知识分子，特别是高级技术专家回来建设新中国。
12月18日，周恩来总理通过中央人民广播电台，代表中国共产党和中央人民政府向海外人才发出了“祖国需要你们”的热切召唤，诚挚邀请他们回国参加社会主义建设。23位“两弹一星”元勋中的王淦昌、彭桓武、任新民、吴自良、程开甲、王希季、邓稼先、朱光亚都是在1949年至1950年回国的。
在新中国成立前夕，中国共产党还开始尝试利用缴获的外汇从西方国家购买从事核物理研究所需的仪器设备。1949年3月上旬，北平军管会派丁瓒通知钱三强，让他准备作为中国代表团成员出席将于4月在巴黎举行的第一届世界保卫和平大会。大会主席正是钱三强的导师约里奥-居里。钱三强认为机会难得，随后主动约见丁瓒，建议借机携带大约20万美元的采购经费，请约里奥-居里代购一些紧缺且必需的核物理研究仪器设备和图书资料。3月22日，周恩来在西柏坡签发题为“关于参加世界和平拥护者大会的中国科学技术界团体及人员的意见”的电报，内容包括：“钱三强购买实验设备事，请先调查外汇如何汇去，实验设备如何运回。到之，具体情况再面谈。”
4月初，中共中央统战部部长李维汉在中南海约见钱三强，告知他中共中央已经采纳了他的建议。虽然当时中央财政非常困难，但是为了发展新中国的核物理研究，中央决定先拨出5万美元专款，由钱三强和代表团秘书长刘宁一共同商量使用。
中共中央对发展核物理研究的高度重视和对钱三强的高度信任使他感动不已。1990年9月，钱三强在《中国原子核科学发展的片段回忆》一文中写道：
我作为一名自然科学工作者，也还应该有自己业务方面的一份责任。于是想到这次去巴黎会见到我的老师约里奥-居里先生，如果请他帮忙订购些原子核科学研究的必要仪器设备和图书资料，穿过封锁运回来，正是极好机会。可是转念一想，外汇拿得出来吗？我抱着成与不成试试看的心理，把以上想法当面跟一位组团的联系人提出了，并且说了大约要20万美元的数额。
此后三天未见信息。我心中忐忑不安。我埋怨自己书生气太重，不识时务，不懂国情。战争还没有停息，刚解放的城市百废待举，农村要生产救灾，国家经济状况何等困难！怎么可能在这种时候拨出外汇购买科学仪器呢！这不是完全脱离实际的非分之想么？
第四天，接到一个电话，要我到中南海去。有关什么事，没有说。在中南海里，等待我的是中共中央统战部部长李维汉。他热情招呼之后，便说：“三强，你的那个建议，中央研究过了，认为很好。清查了一下国库，还有一部分美金，有这个力量，决定给予支持。估计一次用不了你提的全部款项，因此在代表团的款项内，先拨出5万美元供你使用。”还说，“你是代表团成员，和代表团秘书长刘宁一又熟悉，用款时，你们商量着办就成了。”
此时此刻，我心如潮涌，眼前一片模糊……
当我得到那笔用于发展原子核科学的美元现钞时，喜悦之余，感慨万千。因为这些美元散发出一股霉味，显然是刚从潮湿的库洞中取出来的。不晓得战乱之中它曾有过多少火与血的经历！今天却把它交给了一位普通科学工作者。这一事实使我自己都无法想象。……尽管5万美元对于发展原子核科学所需，不是过大的要求。然而他们的远见卓识和治国安邦之道，一举之中昭然天下，让人信服，给人希望。
后来因为法国政府拒绝给中国代表团成员发放签证，刘宁一、钱三强等人被迫在捷克布拉格分会场参加世界保卫和平大会，钱三强也无法亲手把代购经费交给约里奥-居里。大会结束时，钱三强和刘宁一商量后，决定从专项经费中提取5 000美元，交给巴黎方面来的可靠人士转交给约里奥-居里，用于购买相关仪器和图书资料。约里奥-居里以严肃认真的态度对待这件事，一度把这笔钱埋藏在家中的小花园里。他精心选购图书资料，后来委托从英国回国的杨澄中于1951年上半年带回新中国。约里奥-居里还设法购买了一台100进位计数器和其他一些实验材料，委托从法国回国的杨承宗于1951年下半年带回。
旧中国遗留给新中国的科研机构总共只有40个左右，其中还有一些是搞社会科学研究的，研究人员总共只有650多人。按当时的人口平均计算，每1 125万人才有一个研究机构，每70万人中才有一个科研人员。
除了地质学、生物学、气象学等地域性调查工作和一些可以不依靠实验设备而勉强进行的科研工作以外，现代科技在旧中国几乎是一片空白。中共中央和中央人民政府高度重视科技工作，在1949年11月1日正式成立中国科学院，随后又把设立机构开展原子能研究提上议事日程。
1950年1月15日，中国科学院决定设立近代物理研究所（1953年10月更名为物理研究所，1958年6月更名为原子能研究所）。它的研究方向以原子物理学和放射化学为主，主要任务是发展原子核科学技术的基础，为原子能应用做准备。5月19日，中国科学院近代物理研究所正式成立，政务院任命吴有训为所长，钱三强为副所长。因为吴有训另有重任，1951年3月2日，钱三强接任近代物理研究所所长。为了办好近代物理研究所，钱三强把清华大学的彭桓武和浙江大学的王淦昌请来共同主持筹建工作，他们俩后来长期担任副所长。到1956年底，物理研究所已经从初创时的十几个人发展到638人，其中科技人员有377人
，为中国研制原子弹准备了一支可以信赖、可以依靠、可以托付的人才队伍。
钱三强在新中国成立后继续设法从法国采购核物理研究所需的仪器设备。1951年6月，钱三强致信刚刚取得巴黎大学理学博士学位的杨承宗，欢迎他回国效力，还托人带给他3 000美元，请他代购一些科研仪器。为了多采购一些科研仪器，杨承宗把自己在法国期间省下来的生活费充公了，最后他买到的科研仪器装满了13个箱子。为了支持中国发展放射化学，伊蕾娜·约里奥-居里送给杨承宗10克极其珍贵的碳酸钡镭标准源。这些毫不起眼的粉末后来成为中国开展铀矿探测和电离辐射计量研究唯一的标准源。为了确保杨承宗能把敏感仪器带上回国的邮轮，伊蕾娜·约里奥-居里不但派助教布歇士一路护送，而且以居里实验室的名义开具证明信，还帮忙请巴黎第五区警察局开具证明信。
1951年10月，杨承宗带着沉甸甸的行李顺利突破封锁，回到魂牵梦绕的祖国。看到杨承宗带回来那么多珍贵的科研仪器，钱三强喜出望外。可是当杨承宗看到妻子拿出来一大叠欠债单时，他愣住了。杨承宗没想到自己在法国时，家中生活竟如此困难。怎么办？他没有向组织提出报销那笔被他充公的“私款”，而是把心爱的蔡司照相机和欧米茄手表变卖了。在从此之后的30多年里，这位业余摄影爱好者竟然一直没钱再买一台像样的照相机。
吴有训、赵忠尧、钱三强等中国第一代核物理学家非常重视到苏联核物理研究机构参观考察的机会。1953年3月5日，以钱三强为团长的中国科学院访苏代表团抵达莫斯科。恰逢苏联最高领导人斯大林在同一天因病逝世，葬礼安排在3月9日举行。3月8日，周恩来率领中国党政代表团也来到莫斯科参加斯大林的葬礼。在莫斯科期间，周恩来抽出时间认真听取了钱三强等人的汇报，并给予指导和帮助，使钱三强后来有机会参观被苏联列入保密范围的一些核科学研究和人才培养机构。
访苏期间，根据出访前中共中央宣传部副部长胡乔木的指示，钱三强在得到中国驻苏联大使张闻天和在苏联谈判援建“一五”计划的重工业部部长李富春的同意后，直接向苏方接待人员提出要求，希望在日程中增加参观原子核物理方面的研究机构和设备的项目。在周恩来的斡旋下，苏方经过研究，同意安排钱三强额外参观莫斯科物理研究所回旋加速器等三个相关项目，并安排钱三强在巴黎居里实验室的老同事斯柯别里琴院士与他会谈。会谈中，钱三强代表中方试探性地提出：苏联能否在建造回旋加速器和实验性反应堆方面给予中国援助？斯柯别里琴表示，回旋加速器也许可以，反应堆则需要更高一层领导研究。
朝鲜战争爆发后，美国政府盯上了旅美中国理工科留学生和学者，尤其是那些研究领域涉及原子弹技术和导弹技术的中国学者，想方设法阻止他们回国。1950年8月23日，美国政府突然禁止钱学森离境，还扣押了他回国的行李。9月6日，钱学森在洛杉矶被美国司法部移民归化局逮捕，随后被关进特米诺岛监狱。9月23日，钱学森在缴纳1.5万美元巨额保释金后才得以出狱。此后，他被美国政府软禁长达5年之久。
在抓紧完成在美国的工作后，赵忠尧于1950年3月正式办理回国的手续。由于美国移民局不断进行阻挠和刁难，直到5个月后的8月份，他才拿到经过香港回国的“过境许可证”。8月底，赵忠尧在洛杉矶登上开往香港的“威尔逊总统号”邮轮。可是一上船，联邦调查局的人又来找麻烦，把他的行李翻了一遍，扣留了一批公开出版的物理书籍和期刊，硬说这些是“不需要的东西”。邮轮终于开动了，赵忠尧虽然可惜那些书籍，但也庆幸自己得以脱身。
然而，赵忠尧回国之旅中的磨难还远没有结束。1950年9月12日，“威尔逊总统号”邮轮抵达日本横滨，赵忠尧和罗时钧、沈善炯这三个从加州理工学院回国的人被美军便衣人员叫去检查，硬说他们可能带有秘密资料，随身行李被扣下来逐一检查，连肥皂也不放过，称之为“看起来像肥皂的一块东西”。赵忠尧的工作笔记本都被抄走了。大件行李被压在货舱里拿不出来，还要等空船从香港返回时再查。赵忠尧等人当天就被驻日美军关进位于东京的中野监狱，罪名是所谓与核机密有关的“间谍嫌疑”，不久又被转运至主要用于关押日本战犯的巢鸭监狱。
在巢鸭监狱，赵忠尧等人被迫换下原来的衣服，穿上了印有“P”（英语“囚犯”prisoner的首字母）字样的囚服，且被分别关押。赵忠尧被关在18号牢房，另外两个人被关在19号和40号牢房内。囚室里一边一张木板硬床，上面有一条麻袋片似的旧毯子，两张床中间放了一个方便用的马桶。赵忠尧一被扣押就严正抗议美国对他的无理拘禁，指责美国侵犯人权、违反国际公约，要求从速处理此事，还要求公开审查并请律师为自己辩护。但是扣押他们的驻日美军却答复道：“我们只是执行华盛顿的决定，没有权力处理你们的事。”
因为不知道事情还要拖多久，赵忠尧便决定利用在监狱里的空闲，找到同住的懂日文的中国难友当老师，上起了日文课。他利用一切机会，不断学习和充实自己。
退守台湾的国民党政权派出三名驻日代表劝说赵忠尧等人要么返回美国，要么前往台湾。为迫使赵忠尧等人屈服，国民党政权驻日代表竟然说服驻日美军安排了一次假枪决。有一天，赵忠尧等三人被押到一间空屋里，一一面对墙壁站着。赵忠尧很快就听见美国宪兵在他们背后拉枪栓和子弹上膛的声音，并得知他们如果不承认“罪行”，坚持不到台湾去“洗心革面”，就枪毙他们。赵忠尧最初心想这下完了，随即又认为美军不敢也不会这样处决他们，仍然无所畏惧地挺立着。眼看他们宁死不屈，美国宪兵最后只能失望地收起无耻的把戏。硬的不行，就来软的。赵忠尧的老朋友、时任台湾大学校长的傅斯年从台北发来急电：“望兄来台共事，以防不测。”赵忠尧却回电说：“我回大陆之意已决！”
对于美国和台湾方面的一切威逼利诱，赵忠尧等人一律回答：我们决不去台湾，更不会去美国，坚持要求回到中国大陆去！
除了钱学森、赵忠尧、罗时钧、沈善炯外，还有数以千计的中国留学生也被美国政府禁止返回中国大陆。中国政府非常关心被美国政府无理扣押的中国留学生和学者，并通过各种渠道积极营救。中央人民政府政务院总理兼外交部长周恩来为此发表严正声明，强烈抗议美国无理扣押我归国科学家赵忠尧等人。1950年9月24日，中华全国自然科学专门学会联合会主席李四光分别致电联合国大会主席安迪让、世界科学工作者协会书记克劳瑟博士、美国总统杜鲁门，控诉美国无理扣押准备回国的钱学森、赵忠尧、罗时钧和沈善炯，要求美国政府立刻释放他们。9月25日，中国人民保卫世界和平大会委员会主席郭沫若致电世界保卫和平大会主席约里奥-居里，呼吁号召全世界科学家谴责美国无理扣押钱学森的行为，并要求美国政府立即释放被扣押的中国科学家。
迫于国内外舆论压力，美国政府不得不释放赵忠尧、罗时钧和沈善炯。11月28日，赵忠尧在历尽磨难后终于安全回到祖国。后来在他的主持下，中国于1955年研制成功70万电子伏特质子静电加速器，于1958年研制成功250万电子伏特高压型的质子静电加速器。1958年中国科学技术大学成立，赵忠尧根据中国核科学人才的需要，创办了中国科学技术大学的原子核物理和原子核工程系，即现在的近代物理系。他亲任首届系主任，一任就是20年。赵忠尧精心挑选师资，建设课程体系，编制教学大纲和专业教材，亲自登台讲授“原子核反应”课程，为中国原子核物理、中子物理、加速器和宇宙线研究培养了一大批优秀人才。
在取得抗美援朝战争的胜利后，中国政府加快了通过外交手段帮助被迫滞留在美国的中国留学生和学者回国的步伐。这为中国研制原子弹提供了重要的科技人才来源。当时美国政府正好也有与中国政府谈判解决在华美侨回国问题的需求。新中国成立后，在华美侨大部分先后回国，极少数人因为触犯中国法律而被扣押、审判和正在服刑。在朝鲜战争期间，一些美国军事人员因为非法入侵中国领海、领空而被捕。在拒不承认新中国的情况下，争取被关押的在华美侨早日回国成为令美国政府头痛的问题。1954年3月24日，艾森豪威尔总统在指责中国“抓捕并扣留美国人为罪犯”等行为的同时，指示国务卿杜勒斯积极采取实际行动来解决问题，毕竟“行胜于言”。
1954年在瑞士日内瓦召开的关于朝鲜问题和印度支那问题的国际会议为中美双方提供了一个难得的接触机会。在日内瓦会议期间，美方于5月19日通过英国驻华代办杜维廉作为中间人同中方进行接触。周恩来总理获悉后连夜召集会议研究对策，决定同意接触。5月27日，中方表示愿意就被关押人员问题同美方进行直接谈判。从6月5日到6月21日，美方代表、时任美国驻捷克斯洛伐克大使约翰逊与中方代表、时任中国驻波兰大使王炳南在日内瓦会议期间共进行了四次会谈。由于中美双方都不肯轻易作出大幅度的让步，这四次会谈没有取得实质性进展。日内瓦会议结束后，中美双方在日内瓦举行的领事级会谈也没有取得多大进展。
进入1955年后，为了加快解决侨民回国问题，中美双方都作出了一些有利于改善两国关系的举动。6月10日，美国总统艾森豪威尔与国务卿杜勒斯在华盛顿进行了一次重要谈话。杜勒斯想把被中国关押的美军飞行员与中国侨民问题区分开来，认为美国没有义务必须送还中国留学生。艾森豪威尔则认为：“当那些中国留学生来到美国时，他们默认自己将被允许返回祖国。我们应该让所有的中国留学生回去。”杜勒斯指出：“国防部认为有两个中国留学生（钱学森和王克信）不一定适合放回中国大陆，因为他们掌握了高度机密的信息。”艾森豪威尔认为这不应该成为障碍，他们掌握的信息可能没有国防部认为的那么有价值。
6月11日，美国国防部专门开会讨论这两个中国留学生的回国问题，然后向总统提交了一份备忘录。6月13日，艾森豪威尔批准了国防部的决定，即同意释放他们离境。
在原则上允许所有在美华侨离境后，美国政府决定把中美日内瓦会谈的级别从领事级提高到大使级。1955年7月11日，杜勒斯请英国驻华代办代表美方向中方口头转达上述意愿。7月15日，周恩来总理在会见新任英国驻华代办欧念儒时表示接受美方的建议。经过一系列的磋商，中美双方在7月25日发表了中美两国同意在日内瓦举行大使级会谈的新闻公告。7月31日，为表示中方对中美大使级会谈的诚意和所持的积极态度，中国最高法院在周恩来部署下判决提前释放11名美国空军人员。
1955年8月1日，中国驻波兰大使王炳南和美国驻捷克斯洛伐克大使约翰逊在日内瓦开始举行中美大使级会谈。在当天的会谈中，王炳南宣布了中国在前一天释放11名美国空军人员的消息，并说他们将在8月4日抵达香港。8月4日，美国司法部移民归化局致函钱学森，通知他现在可以自由地离开美国。9月10日，中美两国经过多轮谈判，终于就双方平民回国问题达成协议。23位“两弹一星”元勋中的郭永怀、钱学森、杨嘉墀、陈能宽都是因此得以回到祖国参加社会主义建设。周恩来曾评价说：“中美大使级会谈至今虽然没有取得实质性成果，但我们毕竟就两国侨民问题进行了具体的建设性的接触，我们要回了一个钱学森。单就这件事来说，会谈也是值得的，有价值的。”
经过多年准备，中国在20世纪50年代中期已经初步具备研制原子弹所需的人、财、物条件。从1949年10月到1956年12月，共有1 805名侨居海外的科学家陆续回到祖国。
他们大都成为各方面的学术带头人和科研领路人。在苏联的大力援助下，中国顺利实施第一个五年计划，国民经济持续快速增长，科技人才队伍显著壮大。中苏同盟关系在经历朝鲜战争血与火的考验后更加亲密，争取苏联帮助中国研制原子弹看上去不是没有可能性。