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第二次世界大战（以下简称“二战”）是人类有史以来规模最大的世界性战争，战火遍及全球。为了赢得这场战争，德国、英国、美国、苏联、日本在二战期间都曾试图研制原子弹。研制原子弹的理论基础源于物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1905年提出的质能方程 E=mc 2 。 E 表示能量， m 代表质量，而 c 则表示光速（常取 c =299 792 458米/秒）。这个方程不仅显示可以通过轻核的聚变和重核的裂变释放结合能，也可用于估算释放的结合能的量。德国在研制原子弹的道路上先行一步，曾经引起英、美等盟国领导人和科学家们的极大恐慌。幸运的是，由于自身原因和盟军破坏，德国研制原子弹的企图最终未能实现，最后只有美国在二战结束前成功研制出原子弹。
二战爆发前后，德国在人才资源、铀矿来源和工业能力方面已经具备了制造原子弹的条件。1901—1939年，全世界共有127人获诺贝尔自然科学奖，其中德国36人，排在首位，占总数的28.3%。
德国科学家对原子理论的研究成果数量多，水平高。1938年12月，德国物理学家和化学家奥托·哈恩和助手斯特拉斯曼发现了核裂变现象。他们发现，当中子撞击铀原子核
时，一个铀核吸收一个中子可以分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子。在一定的条件下，新产生的中子会继续引起更多的铀原子核裂变，这样一轮又一轮地传下去，像链条一样环环相扣，所以科学家将它命名为链式裂变反应。链式裂变反应使原子弹拥有了史无前例的巨大威力。
在铀矿来源方面，德国既夺取了捷克斯洛伐克的铀矿，又在本国萨克森发现了新铀矿。德国在占领比利时后，还抢走了从比属刚果开采的1 200多吨精选铀矿石，这个数量几乎占当时世界精选铀矿石库存的一半。这么多的铀矿石足够德国研制原子弹。在工业能力方面，德国拥有巨大的工业生产潜力。德国在金属冶炼、机器制造、发电技术等方面仅次于美国，在世界上排名第二，在化学工业方面则超过美国。
德国科学家在二战爆发前就认识到核裂变武器具有划时代的军事价值。1939年4月24日，德国核物理学家、汉堡大学教授保罗·哈特克给德国陆军部写信说：“恕我们冒昧地提醒你们注意在核物理中最新的发展。依我们看来，这种发展也许会使生产比常规炸药强很多个数量级的爆炸物成为可能……最先使用它的国家，将对其他国家占有不可超越的优势。”
陆军部答复同意进行开发研究。为此，德国有关当局于4月底在柏林召开秘密会议，并决定从此禁止铀矿石出口。这标志着德国官方开始悄悄酝酿制造原子弹。
1939年9月1日，德国进攻波兰，第二次世界大战爆发。9月16日和26日，德国陆军部在柏林召开了两次高级物理学家会议，制订出“从事利用核裂变实验的工作计划”，简称“铀规划”。柏林威廉皇家研究院物理研究所被定为“铀规划”的科研中心，直接受陆军部军备规划局领导。该所所长是1932年诺贝尔物理学奖获得者沃纳·海森堡教授。海森堡于1939年12月、卡尔·弗里德里希·冯·魏茨泽克教授于1940年7月都在原子弹理论研究上取得重要进展。1941年9月，海森堡在莱比锡使用重水进行链式反应实验，结果发现放出的中子要比吸收掉的中子多。综合其他德国科学家的研究成果，海森堡当时乐观地声称：“从1941年9月开始，我们看到我们前面有一条畅通的路，通向原子弹。”
随着德军在苏德战场上接连遭受重挫，盟军由战略防御逐渐转入战略进攻，疲于应付的德军变得只对能在战争结束前研制出来的新式武器感兴趣，德国的“铀规划”随之走上了下坡路。相关变化表现为原子弹研制工作的领导权由陆军部转交教育部，“铀规划”的优先地位下降，“铀规划”的设计目标由制造原子弹变为制造铀发动机。与此同时，盟军和反法西斯地下抵抗组织的破坏也发挥了重要作用。地下抵抗组织成员在德国核物理研究所需的石墨中偷偷加入多种杂质，导致德国科学家误以为石墨会吸收过多的中子而不能使天然铀维持链式反应。这就导致德国科学家只能使用重水充当减速剂，而德国的重水来源主要是挪威生产重水的诺尔斯克工厂。1940年德军占领该厂后责令其扩大产量，以供实验使用。从1943年2月到1944年1月，英国特工、挪威地下抵抗组织和美国的轰炸机多次对该厂进行破坏，使德国无法获得足够多的重水，沉重打击了“铀规划”。直到1945年5月8日德国战败投降，“铀规划”也没能取得重大突破。
对任何一个国家来说，研制原子弹都不是一件容易的事情。要想研制出原子弹，正确的技术路线、顶尖的科技人才、巨额的研制经费、发达的基础工业、丰富的铀矿资源、充沛的电力供应等条件缺一不可。美国在二战结束前研制出原子弹离不开天时、地利、人和。美国加入世界反法西斯战争并发挥重要作用，这是天时。美国本土的东西两岸分别受到大西洋和太平洋的保护，远离欧亚战火，这是地利。最重要的当然还是人和。美国的曼哈顿计划集中了当时西方国家（除纳粹德国外）最优秀的核科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年多，耗资20亿美元。
1939年底，英国在利物浦秘密成立了原子弹研究小组，开始研究原子弹制造的可行性问题，这就是代号“合金管”的原子弹研制计划。然而，德国空军的持续轰炸和无孔不入的德国间谍使英国政府对于能否在本土及时研制出原子弹信心不足。得知德国也在秘密研制原子弹后，英国政府一方面加强了对德国核计划的破坏，另一方面希望与美国合作研制原子弹。1942年6月，英国政府正式决定，暂时不在本国研制原子弹。经过多次协商，英美两国于1943年8月签订《魁北克协定》：英国核科学家为躲避德军轰炸机的空袭，将去美国和美国科学家一起研制原子弹，英国合金管计划并入美国曼哈顿计划，两国原子弹研制项目实现整合并且由美国主导。1943年9月，英国首批核科学家启程前往美国，开始与美国科学家一起研制原子弹。如果没有英国科学家的加入，美国至少要推迟一年才能研制出原子弹。
在二战爆发前夕，一些美国科学家也认识到研制原子弹的可行性、必要性和紧迫性。1939年8月2日，爱因斯坦在核物理学家利奥·西拉德等人的协助下致信美国总统富兰克林·罗斯福，建议美国抓紧研制原子弹，防止纳粹德国抢先拥有原子弹。这封来信使罗斯福总统深受触动。第二次世界大战爆发后，罗斯福总统在同年10月决定成立铀顾问委员会（后来改组为S-1委员会），开展预先研究。1941年11月，铀顾问委员会转由科学研究发展局领导。此时美国科学家正在努力寻找把铀-238与铀-235分离开来的方法，以及如何将铀-238转变成一种能裂变的新元素——钚-239。
1942年初，美国科学家通过理论与实践证明，铀-235可以通过离心法、扩散法和电磁法与铀-238分离开来，而钚可以从铀—石墨反应堆或铀—重水反应堆中获得。此时，他们已经意识到研制原子弹不仅对技术要求高，而且对人力、物力和财力都有巨大的要求，明显超出了科研机构的能力范围。罗斯福总统的科学顾问、科学研究发展局局长范内瓦·布什认为，只有军队以最高优先权才能在战争结束前生产出足够多的核原料来。3月9日，他在给罗斯福总统的报告中强调了研制原子弹的必要性和可行性，提议把研制任务移交给军队。6月17日，布什向罗斯福总统提交了一份将核计划移交给军队管理的详细报告。罗斯福总统很快就批复了布什的报告，并赋予核计划高于一切行动的特别优先权。
在陆军参谋长乔治·马歇尔上将的支持下，美国军方同意按照S-1委员会的建议，开始建设四种分别采用不同方法（热扩散法、气体扩散法、离心法和电磁法）的铀同位素分离工厂和其他的研制生产基地。1942年9月23日，莱斯利·格罗夫斯准将就任美国负责研制原子弹的曼哈顿工程区司令。经过考察，格罗夫斯选定在田纳西州的橡树岭建设铀同位素分离工厂，在华盛顿州本顿县建设汉福德基地，通过核反应堆来生产钚。1944年3月，橡树岭工厂生产出第一批浓缩铀-235。汉福德基地生产的浓缩钚被用于第一次原子弹爆炸试验以及最终投在长崎的原子弹——“胖子”。
1942年12月2日，在物理学家恩里科·费米的指导下，芝加哥大学建成了世界上第一个实验型原子反应堆——“芝加哥一号堆”，成功进行了可控的链式反应。人类从此进入原子能时代。曼哈顿计划的最终目标是赶在战争结束前造出原子弹。虽然S-1委员会早就肯定了它的可行性，但要实现这个目标，还有大量的理论和工程技术问题需要解决。在众人的推荐下，格罗夫斯邀请物理学家罗伯特·奥本海默负责主持这项工作。为了使原子弹研制计划能够顺利完成，根据奥本海默的建议，美军决定在新墨西哥州建立一个新的快中子反应和原子弹结构研究基地，这就是后来举世闻名的洛斯·阿拉莫斯国家实验室。1943年，奥本海默被任命为洛斯·阿拉莫斯实验室主任，开始领导上千名科学家秘密工作。科学家们早期的工作主要聚焦于枪式起爆方式的设计。经过研究，他们发现这种起爆方式更适合铀弹，而钚弹更适合采用内爆式。鉴于在核原料方面钚比铀充足，到1944年7月，科学家们的大部分精力已被用于设计钚弹。
1945年7月16日早晨5时30分，代号“瘦子”的世界上第一颗原子弹在新墨西哥州的霍尔纳达-德尔穆埃托沙漠爆炸成功。这是一颗技术比较复杂的内爆式原子弹，橘子状的钚芯质量仅为6.1公斤，钚芯外面是常规烈性炸药。“瘦子”事先被安放在30多米高的钢架上，爆炸当量约为1.9万吨TNT（三硝基甲苯）。这次核爆炸把地面炸出了一个直径为360多米的大坑，高温把爆心附近的沙子熔化成了绿色的玻璃状物质。爆心200公里外的玻璃都被震碎，整个新墨西哥州都感受到了震动。为了保密，美国军方随后发表了事先准备好的公报，谎称这是由沙漠中的一个弹药库意外爆炸导致的。这次核试验标志着人类从此进入核武器时代。
在爆炸的一瞬间，现场受邀观看的1 000多名观众欢呼雀跃，而作为总设计师的罗伯特·奥本海默望着那朵腾空而起的蘑菇云，心里却为人类未来的命运担忧起来，感觉是自己亲手打开了潘多拉魔盒。此时此刻，奥本海默想到了经常读的印度梵文诗选段：
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。
…………
我是死神，是世界的毁灭者。
在听到原子弹爆炸试验成功的消息后，正准备参加波茨坦会议的杜鲁门总统兴奋不已。他认为，美国研制出了世界上最可怕的武器，应该对垂死挣扎的日本使用原子弹。杜鲁门和英国首相丘吉尔商量后，决定向苏联暗示美国已经研制出了原子弹，希望借此提高谈判筹码。7月24日，杜鲁门在波茨坦会议休息期间假装漫不经心地告诉苏联领导人斯大林，美国掌握了一种新型炸弹，它具有极其可怕的破坏力。斯大林早就知道美国在秘密研制原子弹，因此若无其事地点了点头。他表示很高兴听到这个消息，希望杜鲁门用它来对付日本人。
美国对苏联的第一次核讹诈落空了，苏联反而因此加快了研制原子弹的步伐。
苏联政府一向重视国外情报的收集工作，尤其是科技情报。早在1941年9月25日和10月3日，苏联驻伦敦情报机构就先后向国内通报了1941年9月16日和9月20日英国铀委员会会议的情况及铀委员会呈报给战时内阁的报告内容。1942年9月28日，斯大林在国防委员会密令《开展铀研究》上签字，责成科学院恢复核能利用研究，组建科学院下属的原子核专门实验室，在1943年4月1日前向国防委员会提交制造铀弹或铀燃料的可行性报告。1943年7月30日，原子核专门实验室主任库尔恰托夫向国防委员会副主席和人民委员会第一副主席莫洛托夫递交了研制铀弹和生产铀燃料的可行性报告。在美国试验第一颗原子弹之前，苏联便已经掌握了有关情报。1945年3月16日，库尔恰托夫对与美国原子弹的装料和构造原理有关的情报内容进行了评估。8月20日，斯大林签署国防委员会秘密决议，决定成立以贝利亚为主席的国防委员会专门委员会、以万尼科夫为主席的专门委员会技术委员会和万尼科夫兼任局长的苏联人民委员会第一管理总局，负责建造核设施，研制原子弹。
日本在二战期间也曾经尝试研制原子弹，但是缺乏战略资源、缺乏合格人才、缺乏关键技术，尤其缺乏铀矿资源和电力资源，因此根本不具备在战争结束前研制出原子弹的条件。为了研制原子弹，日本陆军航空本部推出了“仁计划”，海军舰政本部则推出过“F计划”，最终都以失败告终。因为深知日本不可能在战争结束前研制出原子弹，所以美国曼哈顿工程负责人格罗夫斯将军虽然收到过相关情报，但对此并未给予重视。