1942年8月11日，美国制订了研制原子弹的“曼哈顿计划”。9月17日，美国陆军工程兵团建筑部副主任莱斯利·格罗夫斯将军被任命为执行该计划的总负责人。他负责这个计划的所有方面，包括科学、技术和制造过程的研究工作、生产、安全和敌人活动的情报，以及使用原子弹的计划等。他本人受过高等教育，是一位工程师，又在陆军工程兵团负责过美国国内和海上基地许多重大军事工程。他有组织大规模工程的丰富经验，是一位非常能干的科研工作组织者。

遵照美国政府为“曼哈顿计划”确立的两条原则：一、造出能够结束战争的原子弹供给美国军队;二、赶在德国人前头造出原子弹。“曼哈顿计划”必须高速进行。格罗夫斯将军采取了以下有力措施。

第一、迅速建立精悍的领导核心。1942年9月23日，格罗夫斯正式上任，当天下午在陆军部长外面的办公室开会，立即着手筹建新计划的领导机构。他极力反对陆军部长史汀生关于建立九人或七人组成的新的军事政策委员会的意见，认为委员太多有弊无利，主张建立三人委员会。最后成立了包括他在内的三人委员会，由总统科学顾问布什任主席，哈佛大学校长詹姆斯·康南特作候补主席。原子弹研制工作的所有指挥权，统由新计划领导机构曼哈顿工程区接管。统一后的“曼哈顿计划”直属总统，任何人不得干预。重大问题，格罗夫斯可以通过布什向总统汇报，取得最高领导的指示和支持。曼哈顿计划总部办公室是华盛顿政府机构中最小的一个，内部机构简单而灵活，领导能迅速而明智地作出决定。总部行政官员大都派赴现场指挥，及时发现和解决问题，避免产生官僚主义。

第二、优先解决铀矿石供应。铀矿石是研制原子弹最重要的战略原料。第二次世界大战期间，最重要的铀矿石来源是在比属刚果(今刚果民主共和国)。开发该矿最重要的人物是加丹加高原联合矿业公司总经理埃德加·森吉尔先生。

格罗夫斯非常了解原料问题的极端重要性。1942年9月17日，他被指定为“曼哈顿计划”负责人的当天，就迫不及待地和助手K·D·尼科尔斯讨论铀矿石的来源问题。第二天，他的助手迅速同联合矿业公司总经理签订了供应铀矿的秘密协定。森吉尔同意立即把贮存在纽约的大约1，200余吨铀矿石交给美国，并同意把比属刚果已采出的全部铀矿石运至美国。

刚果铀矿对美国具有极其重大的战略价值，不仅数量大，而且矿石的品位高，远远超过世界所有已发现的矿石。据了解，从美国科罗拉多高原和加拿大运来的矿石中的氧化铀只含0.2%，南非铀矿石中的氧化铀含量为0.03%，而刚果矿石中氧化铀的平均含量竟超过65%。格罗夫斯强调指出：“我们掌握了这种矿石，就能在所面临的危急的战争岁月中，继续进行我们的原子能发展工作，而不会担心原料—铀的匮乏。”

第三、集中美国和西欧最优秀的科学家，联合起来同德国竞争。第二次世界大战初期，英国也开始研制原子弹，其发展规模与研究水平与美国不相上下。1941年2月，美国派遣以康南特为首的科技代表团访问英国，达成美英交换军事科技情报的协议。1943年8月在魁北克会议上，罗斯福总统和丘吉尔首相同意英美两国合作研制原子弹。根据魁北克协定，成立了美、英、加共同研制原子弹的联合委员会。同年12月，英国选派了以詹姆斯·查德威克(1935年度诺贝尔物理学奖金获得者)为首的28位杰出的科学家参加“曼哈顿计划”。意大利著名物理学家、1938年度诺贝尔物理学奖金获得者恩里科·费米、丹麦著名物理学家、1922度诺贝尔奖金获得者尼尔斯·H·O·玻尔、匈牙利著名物理学家爱德华·特勒和利奥·西拉德等都被吸收参加制造原子弹的行列。欧洲科学家贡献出许多有价值的有关原子能的原始资料，带头进行这个计划。正是由于欧美科学家的共同努力，才使美国在原子能科学领域获得巨大成就并居世界领先地位。

第四、实行极端严格的保密制度和新闻检查。美国研制原子弹的计划是在严格保守机密的情况下进行的，甚至严格到连当时的副总统杜鲁门和国务院最高级的官员事前竟毫无所知。所有参加“曼哈顿计划”人员的历史、政治信仰、生活习惯和出身成份都做过一定程度的审查。对有可能取得机密情报的人，审查更严格得多，要追溯到他们的幼年时代。所有人员的指纹都曾送到联邦调查局查对。

新闻检查相当严格。要求报纸和电台不准发表以任何方式泄露重要机密的消息，避免使用象“原子能”这一类的字眼，不许提汉福特和橡树岭等地名，以免引起外国间谍的注意。

保安工作的主要对象，首先是针对纳粹德国，因为只有德国能利用从美国窃取的任何情报;其次是针对苏联，不让苏联知道有关原子弹研制的详细情况，尽一切努力使第一次使用原子弹成为谁也不曾料到的惊人之举。希特勒的军需部长阿尔贝特·施佩尔在纽伦堡被判为战犯。他后悔说，要是他当时想象得到美国在进行曼哈顿计划，他就是上天入地也要设法赶上美国人的。这话最清楚地说明了国防科研的保密工作何等重要。

第五、组织特别情报小组。1943年秋天，美国组织了一个特别的军事科技情报组织，代号为“阿尔索斯”。它的成员由军事人员和有军衔的具有原子科学知识的科技人员组成。他们穿的服装和士兵一样，只是佩戴的徽章上有一个白色希腊字母a和一条红色闪电的线。“阿尔索斯”的主要任务就是要搞到德国在原子能方面的情报，包括德国铀矿的来源，德国著名核物理学家的工作地点和家庭住址，核物理实验室和工厂的位置，以便判断德国在研究原子武器方面进展到什么程度，一有可能就抢先占有或摧毁它们。

1943年11月，美国对纳粹德国在挪威生产重水的里尤坎工厂进行了大规模的空袭，迫使德国转移该厂生产重水的贵重设备和大部分重水，而在运往柏林途中又遭到挪威游击队的彻底破坏。1944年6月6日，执行“阿尔索斯”行动的谍报人员随同盟军在诺曼底登陆。1944年11月，美国第六军团的前锋刚刚冲进斯特拉斯堡，阿尔索斯情报小组人员直奔斯特拉斯堡大学，闯入新建的实验室，发现了隐匿于此的极有价值的德国U计划和铀学会最完整的档案。在第三帝国崩溃的时刻，美国认为，抓到一个第一流的德国科学家比俘获十个师的德军更有价值。他们决心不惜一切代价搜寻德国最著名的核物理学家，绝不让这些人员和有关仪器设备落在俄国或法国人手里。阿尔索斯情报小组发现，位于柏林北面15英里俄国占领区内的奥兰宁堡有一座正在从事原子能生产的德国工厂。 1945年3月15日，美国空军出动612架飞机，投下1，506吨烈性炸药和178吨燃烧弹，把地面上所有厂房全部摧毁。在法国占领区内的小镇黑兴根，有一个德国U计划基地。1945年4月24日， 美国迅速组织一个突击兵团袭击该城，俘获了美国所需要的第一流的德国核物理学家和夺取了重要资料，然后摧毁剩下的设备，立即撤退。阿尔索斯小组行动的成功，才彻底消除了美国人当初决定研制原子弹时的忧虑。

第六、多管齐下，一齐上马。“曼哈顿计划”的主要内容，一是生产足够数量的裂变材料，二是设计和研制原子弹。怎样生产裂变材料呢?以往的实验证明;铀235是可以裂变的，但是铀235在天然铀中不到1%。铀238在中子轰击下可以转换成一种新元素钚，钚象铀235一样可以裂变。从理论上讲，当时有五种方法生产裂变材料铀235或者钚，实际上，哪种方法都没有进行工厂生产的可靠资料。为了尽快地生产足够数量的裂变材料，及早造出原子弹，格罗夫斯将军决定采取多管齐下的方针。他把科学家分成四个组：

第一组由1927年度诺贝尔物理学奖金获得者阿瑟·康普顿领导的芝加哥大学冶金实验室(代号)和杜邦公司组成。主要任务是采用石墨型反应堆，生产足够数量的钚。1942年12月2日，在芝加哥大学斯塔格运动场西看台下面，在费米指导下，建成了世界上第一个实验型原子反应堆，成功地进行了第一次可控的链式反应。接着，杜邦公司承担起建设大型反应堆和分离钚的工厂的任务。设计资料由芝加哥大学实验室提供。厂址选在华盛顿州的汉福特。制钚工厂顺利地建成和投产了。第一颗用做试验的原子弹和轰炸长崎的原子弹都是用钚制成的。

第二组由1940年度诺贝尔物理学奖金获得者欧内斯特·劳伦斯教授领导的加福尼亚大学实验室和几家公司组成。任务是用电磁法分离浓缩铀235。厂址设在田纳西州的橡树岭。该厂1943年初动工兴建，到1944年3月就生产出第一批浓缩铀235。

第三组由1934年度诺贝尔化学奖金获得者哈罗德·尤里博士领导的哥伦比亚大学代用合金实验室(代号)和几家公司组成。任务是用气体扩散法生产浓缩铀235。厂址设在橡树岭。

另外还有华盛顿卡内基学院菲利普斯·阿贝尔桑试验成功的一种热扩散法，受到海军重视。1944年6月，奥本海默提议用热扩散法生产低浓缩铀235。同年6月底开始建厂，10月底就生产出首批产品。

第四组由罗伯特·奥本海默博士领导的洛斯阿拉莫斯实验室。主要任务是设计和制造原子弹。厂址位于新墨西哥州圣菲城外洛斯阿拉莫斯的一座荒凉方山上。制造原子弹本身的工作于1943年春开始，经过两年多日夜奋战，1945年7月12日，一颗试验性原子弹开始最后装配， 7月16日上午五点半在新墨西哥州距阿拉莫戈多50多英里的一片沙漠地带爆炸成功。美国充分调动本国庞大的工业和经济资源，联合欧美最优秀的科学家，利用美国远在敌人轰炸机航程之外的有利地理条件，终于成功地抢在纳粹德国之前赶制出第一颗原子弹。

德国完全不了解美国研制原子弹的情况，没有紧迫感。1942年6月23日，德国军需部长施佩尔把制造原子弹的可能性告诉希特勒，希特勒对此态度冷淡。在原子能研究方面，德国没有全面的指导和统一的目标，各单位之间缺乏协作。教育部、陆军部、邮政部各搞一套，你争我夺。特别是希特勒的排犹主义，把德国物理学界一些出类拔萃的人物逐出国外。德国核物理学家维尔纳·海森贝格在1940年开始研制反应堆，另一位物理学家哈特克曾领导过铀的离心分离工作，但是，直到1944年底，德国在原子能研究方面仍停留在实验室阶段，比之美国整整落后两年。美国某些人士认为，假如当时希特勒象罗斯福那样，让他的科学家们放手大干，欧洲的地图，甚至两半球的版图，也许会大不一样。这话虽说得不免有点夸大，但也不无一点道理。

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