此时，实验物理学已成为美国大学研究生院的一个很活跃的学科。尽管美国人在物理学理论研究方面并不处于领先地位，他们在设计检验理论的设备方面却是相当出色的。一九三一年，伯克利加州大学的欧内斯特·劳伦斯已制成了第一台回旋加速器，它大大便利了对原子的研究和对放射现象的试验；同年，普林斯顿大学的罗伯特·范德格拉夫也设计出了产生亚原子粒子射束的高压静电发生器。美国的实验设备丝毫不亚于任何国家。
政府对原子研究的大规模支助直到一九四一年十二月七日珍珠港事件爆发后才开始，但是此后的行动就非常迅速了。到一九四二年一月中旬，新成立的规划委员会的成员之一阿瑟·康普顿已经全面调查了最近的研究对制造原子弹的意义，并对他的物理学家同事们宣布了一个预定的时间表：（1）一九四二年七月一日以前确定产生链式反应是否可能；（2）一九四三年一月以前完成第一次链式反应；（3）一九四五年一月以前制造出一颗原子弹。这一宏大计划的另一个名称是“研究与发展”，它需要遍布整个美国大陆的全国性巨额投资。
从开始行动那天起，每个阶段的问题就不再是能否做到，而是何时做到了。理论和实践方面许多尚无把握的东西并没有冲淡对于原子弹定能制成的信念。但是战争的压力使得这项工作十分紧迫，需要采取一种代价十分巨大的工作方式。直到一九四二年年中，科学家们仍然无法肯定，在想象中的五种能产生裂变物质的方法中，究竟哪一种最为有效。在一般情况下，就会逐一试验每一种方法，从看来希望最大的方法开始，直到找到最佳方法为止。但康普顿反对这种做法，他说：“德国人目前可能已经远远超过我们。他们在一九三九年就开始大力实行他们的计划，而我们直到一九四一年才作同样的努力。”甚至只是几个月的耽搁也可能使德国人获得决定性的优势。因此，科学家规划委员会决心齐头并进，同时着手对五种方法进行试验，即使这意味着要为每一种试验修建一座耗资巨大的工厂，而且从长远来讲，预计这些工厂中只有一座是必要的，也在所不计。到一九四二年十二月，规划委员会已经可以将可能性的范围缩小。他们建议修建的四个工厂需要约四亿美元的资金。
这些工厂的规划与修建，以及政府对整个原子弹工程的管理都是由莱斯利·格罗夫斯准将负责的，他曾任陆军建筑工程部副部长，负责监造了世界上最大的办公楼国防部五角大楼。格罗夫斯是一位随军牧师的儿子，是在军营中长大的。他进西点军校前，曾庄马萨诸塞理工学院就读一年半。一九一八年，他从西点军校毕业，成绩在全班名列第四。他对物理和原子并没有特殊的了解，但是作为陆军建筑工程部副部长，他要对每月支出的约六亿美元负责，而且还以能够迅速完成任务而闻名。
在制订原始计划（以及作出花费数以亿计美元的决定）时，试验尚未表明究竟是否会出现核链式反应。以前的实验只表明，铀原子以分裂为其它元素的原子，但并没有表明铀原子裂变后释放出来的中子可以被控制来分裂更多的铀原子，再释放更多的中子，以至不停地循环下去。如果在这个过程中中子不可避免地丧失了，那么原子的裂变不论对物理学家来说是多么有趣，也是没有什么实际意义的。如果可以产生自持的链式反应，那就是发现了一个无可限量的新的能量来源。一九四二年十二月二日，在芝加哥大学斯塔格运动场看台下临时从墙球球场改建的秘密实验室里。恩里科·费米进行了第一次核裂变，证明反应确是可以自持的。规划者们决定在一个人口稠密的城市的中心，而不是在边远乡村的实验室进行这一危险的试验，这一事实充分说明他们对自己的计算（以及费米所作的能够防止反应失控和爆炸的预言）充满信心。
但是在费米提出他的决定性证据之前，政府业已投入大笔贫金，并在田纳西州的橡树岭、华盛顿州的汉福德和新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯修建了新的城市。这些秘密的“荒野之城”就是二十世纪的“山巅之城”：在这些城市里进行的生产和试验对人类充满了威胁，又充满了希望。历史上这项意义最深远、耗资最巨大的技术性工作是为了完成人类对其能触及的范围之内最小物质的控制。
这项计划基本上是按预定的时间表进行的。为制造原子弹提供可用的原材料所需采取的所有各种措施，全都齐头并进，而且与此同时，科学家和技术人员已开始对原子弹本身进行设计。生产足够的可裂变物质是一项巨大的工业任务。尽管总的来说，各种判断、猜测和预言最后证明都是正确的，但是风险最大的预言莫过于制造出一颗原子弹的可能性。一九四五年七月十六日，也就是康普顿在一九四二年一月所指定的时间的六个月之内，第一个原子装置在新墨西哥州沙漠中的阿拉莫戈多爆炸了。《纽约时报》的威廉·劳伦斯从二十英里外的观察站目睹了这次爆炸，他写道：“就象一部宏大的元素交响曲壮丽的最后乐章，既迷人，又恐怖，既令入激奋，又令人压抑，险恶，毁灭，既充满巨大的希望，又充满灾难性的凶兆……在那一瞬间，永恒降临了，时间停止了，空间变得微乎其微，天崩地裂，人们似乎目睹了世界的诞生——见到那创造夭地的一刻，当时上帝说：‘出现光亮吧！’”仅仅三个星期后，也就是一九四五年八月六日，美国在广岛扔下了一颗原子弹，方圆四英里的市中心区夷为平地，伤亡超过十六万人。三天后，美国在长崎扔下了第二颗原子弹。次日（八月十日），日本人投降，至于美国物理学家的竞争对象德国人，早在三个月之前就投降了。
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