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“曼哈顿工程”的规模大得惊人。由于还不知道能把铀235分离出来的4种不同方法哪种最好，惟有4种同时试用。每一方法都耗费昂贵，每解决一个问题就会产生两个新难题。虽然只要生产不足45千克可分裂的核原料，以备1945年夏天制成的3枚原子弹之用，但该项计划及有关的各项工作，在巅峰时期曾聘用近54万人。
“曼哈顿工程”成了美国科学家的熔炉。像罗伯特·奥本海默等热爱新物理学的美国科学家，与英国原子物理学家，以及流亡美国的意大利、德国、匈牙利科学家共同工作。某些部门有博士头衔的人比普通职员还多，其中不乏诺贝尔奖得主。
“曼哈顿工程”的总部建在田纳西州，占地202平方公里。它还将获得的比利时矿业联盟在非洲刚果开采的1140吨铀矿全部库存，如果没有这批矿石，原子弹也无法研制。有20万人在37个秘密工厂和实验室内专职从事研制工作。
“曼哈顿工程”只开始了几个月，便获得具有历史意义的重大成果。1942年12月2日下午，参与研究的物理学家恩里科·费米和他的美国同事，在芝加哥大学橄榄球场看台下面的一个壁球场里，成功地实现了人类史上第一次受控核裂变的连锁反应。他们所用的仪器虽然简陋，但在那天傍晚，物理学家就确知这个核分裂过程，并终有一天可用来制成一种威力极大的武器。
虽然如此，棘手的实际难题仍然很多。据科学家计算，45克铀235（约有一个高尔夫球的大小）所放出的能量，约等于9000吨三硝基甲苯（TNT）炸药。但单是这45克铀235的力量并不足以完成整个连锁反应，一定要有相当的数量，即所谓“临界质量”，才能引发爆炸。当时还不知道确实数量是多少。此外，他们必须把铀分成两块，到引发时才让它们合到一起，构成临界质量。为了解决这许多难题，“曼哈顿工程”在新墨西哥州靠近洛斯阿拉莫斯市一个荒僻的平顶山上，设立了一个原子弹实验室，由奥本海默出任该实验室的主任。
新武器就在这个实验场地里进行最后的装配。保安措施非常严密，所有邮件要经过严格检查，来往电话一律受到监听。科学家一离开实验室，就有人如影随形般盯梢。其他设备的保护措施，也大致同样严密。所以从来没有一个德国或日本特务获得任何重大的原子研究情报。就是美国人也很少知道本国正在研究这种崭新的武器。
“曼哈顿工程”的人员研制原子弹的热忱，在大战期间一直没有减退。该工程投入的总经费达20亿美元（相当于今天的260亿美元）。1944年12月30日，格罗夫斯将军认为可以宣布他的时间表了。他在给马歇尔将军的一份备忘录中写道：“第一枚原子弹将于1945年8月1日左右制成。”
杜鲁门面临抉择
当原子弹面临可供实战使用前景时，美国内部对如何使用它，产生了分歧意见。
在二战期间领导美国并决定研制原子弹的罗斯福总统，于1945年4月12日逝世，副总统杜鲁门接任总统。当年4月25日，杜鲁门才被告知研制原子弹的详情。他被迫面临是否要对日本使用原子弹的重大抉择。
主管原子弹研制工程的美国陆军部长史汀生，当时领导着被称为“临时委员会”的机构。这个机构由8人组成，包括3名著名的科学家在内。另外附有一个由4名科学家顾问组成的“科学小组”。成立该委员会的目的是，要向总统提出原子弹的使用在政治、军事和科学各方面将会产生什么问题。
1945年6月初，这个委员会同马歇尔将军及“科学小组”开会进行磋商。史汀生在会上致辞：“我们有了一种新式武器，不久就可试爆，其破坏力是空前的。今天，首要的任务就是要迅速胜利地结束战争。可以设想，新式武器会使我们握有压倒一切的力量。现在摆在我们面前最重要的问题是，使用这种新式武器，从长远的历史观点看，会产生什么影响。”
“科学小组”的成员、负责原子弹设计和试验的科学家奥本海默博士估计，爆炸1颗原子弹能杀死两万人。这个数字使史汀生大吃一惊。他插话说，目的是摧毁军事目标，不是平民的生命，例如，已列入轰炸目标的城市之一京都就不应该轰炸，因为它是个文化中心，当地的神社颇受人崇敬。
马歇尔将军毫不怀疑，为了迅速结束战争，拯救美国人的生命，应该使用原子弹。但是他在会上却说，他也希望用不着扔原子弹，因为这样就会过早地把美国拥有的新实力暴露给苏联人，从而降低原子弹在战后的威慑作用。
午餐时，一名科学家在餐桌上问史汀生，是不是能用原子弹搞某种非军事的示威给日本人颜色看看，而不轰炸城市。对这种可能性，饭桌上展开了辩论。有人反对说，如果预先宣布要投在日本某个偏僻地方，携带原子弹的飞机有可能被击落。还有，如果示威性的炸弹不爆炸，那又怎么办？这样的可能引起的问题实在太多。如果在日本以外的中立地带进行爆炸示威，日本人可能认为这是假的。最后，大家的结论是，应该尽快使用原子弹轰炸日本本土一个能明确显示其破坏力的目标，而不预先提出警告。
“临时委员会”的3名科学家同意这一结论。然而，其他一些参加制造原子弹的科学家却感到忧心忡忡。为首的是获得诺贝尔奖的德国物理学家詹姆斯·弗兰克博士。他和另外7名著名科学家联名给委员会提交了一份报告。报告中指出：“如果美国首先将这个毁灭性武器不分青红皂白地使用，它就会失去世界公众的支持，造成军备竞赛，损害将来达成控制这种武器的国际协议的可能性。我们以为，如果能先选择适当的无人居住地区，向世界显示核弹的威力，那就能为最终达成控制这种武器的协议创造有利的条件。”
对于这份报告，奥本海默、费米等几位科学家，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯试验场进行了长时间的研究，起草了一份驳斥的书面意见，于6月16日也提交给“临时委员会”。书面意见中说：“主张纯粹的技术示威的人，认为使用原子武器是非法的，生怕用了它会在将来使我们的地位受到损害。但是其他人则坚信，要是立即在军事上使用它，就能拯救美国士兵的生命。他们更加关心的是结束战争，而不是消灭这个特种武器。我们同意后一种意见：技术示威不大可能结束战争，除了直接在军事上使用外，我们找不到其他替代办法。”
当科学家对原子弹使用议论纷纷之时，政治家和军事家也在权衡利弊。
在华盛顿，史汀生部长和他的助理部长约翰·麦克洛伊，当时正准备与参谋长联席会议举行一次关键性的会议，杜鲁门总统也将出席，以便决定是封锁日本炸得它投降呢，还是在日本的主岛登陆。麦克洛伊对这两种选择都不赞成。几个星期来，他一直私下与格鲁讨论对日作战的前途，两人得出同样的结论：应该让日本体面投降。
麦克洛伊主张总统应该致函日本天皇或铃木政府，一方面阐明投降条件，允许日本在立宪基础上保留天皇；另一方面威胁它，如果它不接受，那么美国别无选择，只好在日本使用新式武器——原子弹。这样有可能在不造成巨大伤亡的情况下结束战争。如果提出了这样的条件和警告日本还不投降，那么美国不得不使用原子弹，道义上就能处于较为有利的地位。这个建议史汀生显然是同意的，他说，这样做才具有政治家的风度。
1945年6月18日下午3时30分，讨论对日最后作战方针的会议在白宫会议室举行。到会的有杜鲁门总统和他的私人参谋长、海军上将威廉·李海，两位参谋长联席会议的成员：海军总司令欧内斯特·金上将和陆军参谋长乔治·马歇尔上将。另一位参谋长联席会议成员、陆军航空兵部队司令亨利·阿诺德上将没有到会，由艾拉·埃克中将代表。史汀生抱病出席，他的副手麦克洛伊列席。
从马歇尔开始，杜鲁门一一征求意见。马歇尔坚持说，除了入侵日本主岛外，没有什么别的选择。他主张1945年11月1日开始在日本九州岛登陆，将出动美军部队766700人，伤亡会是惨重的。但是，他说光靠空中力量不能征服日本。代表航空兵部队发言的埃克中将证实这种判断，他说空军的轰炸并没有使德国人屈服。海军上将金也支持马歇尔。史汀生点头赞成。