1941年12月6日，也就是日本偷袭珍珠港的前一天，美国政府正式决定，实施制造原子武器的计划。这项计划因其第一总部的所在地而被命名为“曼哈顿工程”。美国著名的理论物理学家罗伯特·奥本海默和陆军准将莱斯利·格罗夫斯成为领导这个开辟了人类原子时代巨大工程的搭档。格罗夫斯准将此前曾负责在极短时间里建成五角大楼的建设工程，虽然并不十分明确这项“曼哈顿工程”的性质和意义，但他被告知：“如果你的工作做对了，就将会赢得战争。”现在正要求他运用自己出色的工程协调能力来协调10万名工作人员、13个州的37处设施及12所大学的实验室的工作；奥本海默博士则负责科学上的领导，率领几千名高级研究人员来到了新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的一个用围墙围起来的秘密基地里。
因躲避法西斯迫害而逃亡到美国并定居下来的意大利杰出的核物理学家恩里科·费米也加入到了“曼哈顿工程”。他曾在芝加哥大学领导建造了美国第一个原子能反应堆，为原子弹的研制提供了大量有用的数据。但制造核弹还存在着许多技术方面的困难，最主要的问题是铀的提纯问题。当时的科研人员普遍认为，最好的核裂变材料是铀235。但这种铀的天然含量很低，只占0.7%，所以必须用某种方法进行化学分离，以获得高含量的铀235。美国政府决定不惜工本，采用多种方法同时进行试验，以求尽快分离出足够的高纯度铀235。但是，由于分离铀的成本太高，再加上人们后来又发现了一种由铀238嬗变而来的新元素钚239，也是一种良好的核变材料。因此，可以将分离试验中剩下的大量铀238用来制造钚。
1943年，“曼哈顿工程”进入了具体设计阶段。1945年春，3颗原子弹被科学家们造出来了。
1945年7月16日5时30分，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的沙漠深处，在一声闪耀着令人眩目的光芒的猛烈爆炸声中，“曼哈顿工程”的工作达到了高潮。在一个离地面约10公里的地下观测室里，奥本海默博士看到了世界上第一颗铀原子弹试爆成功后升起的蘑菇云，禁不住默默地慨叹道：“我成了死神，世界的毁灭者。”根据专家测算，这颗原子弹的爆炸威力相当于20000吨TNT炸药。
美国在不到4年的时间里就成功地试制出原子弹，完全取决于两个因素：一是希特勒将一大批极有才华的欧洲核物理学家赶到了美国，为美国聚集了全球实力最强的科学家阵容；二是为了完成“曼哈顿工程”，美国政府投入了巨大的人力和物力：前后共动员了50多万人参与实验，耗费资金22亿美元，占用了全国近1/3的电力。原子弹的研制成功是20世纪在科学协作方面的典型范例。
1945年5月，德国宣布无条件投降后，人们才了解到德国虽然一直在从事原子弹的研制工作，但离真正能制成原子弹还早着呢。他们研制核反应堆的设施屡遭盟军和抵抗组织的破坏，根本无法集中全力制造原子弹。这时，从前建议造原子弹的科学家们又开始呼吁，要求禁止使用核武器。但科学理论一旦变成了现实，科学家们就根本无法改变它的命运了。6月，当初首倡研制原子弹的西拉德等7名科学家又联名给美国国防部长写信，指出原子弹的存在会引起世界各军事强国的核军备竞赛；7月，西拉德又起草了给白宫（美国总统官邸，后成为美国政府的代称）的紧急请愿信……但这一切都无助于事——1945年8月6日和9日，美国政府分别在日本广岛和长崎投下了两颗原子弹。从此，全世界几个军事强国间长达近半个世纪的核军备竞赛开始了！
宇称守恒定律的推翻
我们所处的世界，错综复杂，周围的一切都在瞬息万变。然而变中蕴含着不变，各种不变的东西是什么呢？那就是物质运动的规律。物理学的一个任务就是在“万变”中寻求“不变”，即所谓的“守恒”。
物理学中有许多守恒定律，最熟悉的有能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、电荷守恒定律；在基本粒子世界中还有各种粒子数守恒定律、同位旋守恒定律、宇称守恒定律等等。然而，为什么会有这些守恒定律？哪些守恒定律是“不验自明”的呢？这只有到了20世纪以后，人们在十分坚实的实验基础上才回答了这些问题。
特别的旅行
1956年12月24日，美国首都华盛顿下起了一场大雪，风雪使得杜勒斯和国家两个机场关闭，许多来往华盛顿——纽约间的旅客，都拥向华盛顿的联合车站，改乘火车回纽约。
那天夜里，一位身材娇小的中年东方女性，也挤在人群当中，独自一人买票，坐上当晚开往纽约的最后一班火车，她的服装行动举止都没有引起任何人的特别注意。
也许旅客们是应该注意到的，因为与他们同行的这位女士不仅是当时世界物理学界相当出名的一位实验物理学家，而且她的这趟旅行，对于人类科学的历史，也有着特别不同的意义。她这次带回纽约的实验结果，使得20世纪的物理学进展发生了革命性的大改变。这位女科学家就是吴健雄。
也许有人会知道，吴健雄很早便有“中国居里夫人”的称号。有些专家甚至认为，她对人类物理科学的贡献比居里夫人还大。
吴健雄是1936年到美国的。她在1940年获得博士学位时，在科学研究上的见识和成就，已赢得美国最有盛名的大科学家奥本海默和劳伦斯等人的高度赏识，也正因如此，她居然以一个还未入美国籍的外国人身份，参加了美国最机密的造原子弹的“曼哈顿计划”，而且对计划作出极关键的贡献。
事实上，吴健雄一生一直是潜心原子核物理的研究。在这一领域中，她有许多影响深远的重大成就，她一生中得到了许多除诺贝尔奖之外的大奖，这些由世界一流学术组织和大学颁给的奖章和荣誉学位，可以写成长长的一份记录。此外她还打破美国普林斯顿大学百年传统，在1958年成为头一个获得该校荣誉博士的女性，1975年她再一次打破美国物理学会一向由白种人男性担任会长的传统，成为该学会第一位女性会长。
由于在物理学上的杰出贡献，加上对美国物理学界的深远影响，吴健雄除了被誉为“中国居里夫人”之外，在美国还享有“物理研究的第一女士”、“核子研究的女王”以及“世界最杰出的女性实验物理学家”的称誉。
吴健雄这次带回纽约的实验结果，使1957年成为中国人在人类近代科学进展历史中，具有特殊意义的一年。就在这年，首次有两位华裔科学家以革命性的深邃理论成就，得到了在世界科学上有至高地位的诺贝尔物理奖。这两位物理学家就是目前在美国纽约州立大学石溪分校任教授的杨振宁博士和纽约哥伦比亚大学的教授李政道博士。他们对于长久以来科学家一直深信的一个科学观念——宇称守恒，提出了大胆而革命性的质疑。他们的质疑由于最先得到吴健雄实验结果的明确证明，而成为物理学上的一个新观点。他们两人也因而得到诺贝尔奖的殊荣。
奇异的粒子
寻找物质的基本构成物，一直是西方科学的一个主流方向。西方科学由希腊时期起始，就有了物质是由原子构成的说法。最早“原子”这个词，在希腊文中就是“不可分”的意思。这种原子是构成物质最小基本单元的观念，到1911年英国科学家卢瑟福在曼彻斯特大学发现原子中还有原子核以前，一直是科学家深信不疑的。
接着科学家又发现，原子中还有带正电的质子和带负电的电子。起初人们以为，质子和电子都是在原子核里面，后来发现这个想法无法圆满解释一些问题。1932年，英国科学家查德威克发现了不带电的中子，并且确定了在原子核里面只有质子和中子，电子是环绕在原子核外做高速运动的。同一年，美国加州理工学院的科学家安德森，在探测来自太空的宇宙射线的仪器中，看到了一种新的粒子。这是人类从来没有发现过的一种东西，一种“反物质”。
这个粒子是电子的反物质，叫做正电子或正子。前四种粒子即质子、中子、电子、正电子，加上爱因斯坦早在1905年提出以颗粒学说来解释光的一些特性，而得出传送光的粒子——光子，到1932年底，科学家已知的基本粒子，一共有了五种。
到了20世纪60年代，基本粒子的数目增加到几十个之多，这种数目的多少，与科学家对“基本”的定义有关。现在粒子物理学家一般认为的基本粒子，有轻子、夸克和规范玻色子。轻子和夸克各由三个家族组成，规范玻色子则是传送宇宙四种基本作用力的粒子。这种把轻子和夸克当做基本粒子，加上四种基本作用力来解释物质现象的说法，物理学家称之为标准模型。
太空中由于星球燃烧爆炸，会放出许多高能量的宇宙射线。自从1910年科学家首次在巴黎艾菲尔铁塔上使用探测仪器得知这种宇宙射线存在的可能后，就开始在法国阿尔卑斯山、美国洛基山、南美安第斯山等高山以及高的建筑物上来进行探测，甚至还利用气球、飞机载着仪器升空，去探测这种射线。当时科学家用来在地上探测宇宙射线的仪器叫做“云雾室”。“云雾室”中的“云雾状物质”会在高能量宇宙射线经过的地方，变成带电状态而显示出宇宙射线的轨迹来。安德森的正电子就是这样发现的。有很长一段时间，宇宙射线是科学家获得一些生命期限很短的新粒子的主要来源。但是，由于这些宇宙射线飞越遥远距离，又受到地球大气层和地球磁场的影响，数量和能量都不容易控制。因此利用宇宙射线来研究一些新粒子的特性，并不是十分方便和准确的办法。
于是便有了人造高能粒子束的构想，这就是加速器。头一个加速带电粒子到相当高能量的加速器是1932年两位英国科学家柯克考夫特和瓦顿利用电场和磁场加速带正电质子完成的。这种类型的“柯克考夫特—瓦顿”加速器，就是现在所谓直线加速器的初始原型。这种直线加速器由于在增加能量上碰到问题，于是一种新的构想，将带电粒子在一个圆形轨道中加速的概念出现了。
最先成功地利用这一概念发展成一个高能量圆环加速器的科学家，正是曾经做过吴健雄老师的劳伦斯，他所设计和制造的回旋加速器，不但大大改变了粒子科学研究的面貌，也替他赢得了1939年诺贝尔物理学奖。到了20世纪50年代，两座回旋加速器先后完成，开启了粒子物理实验的一个崭新的局面，也促成了杨振宁、李政道在理论研究上取得极大进展。
其实，在加速器研制成功以前，科学家已经在宇宙射线的探测中，看到许多新的粒子，这些粒子由于没有理论预测过它们的存在。因此被称为“奇异粒子”。“奇异粒子”最早是由两位英国实验物理学家罗契斯特和巴特勒1947年在观测宇宙射线的云雾室中看到的。这种“奇异粒子”和普通的物质似乎很不一样。一般说来，普通物质是由质子、中子和电子组成，但是普通物质被高能量质子撞击的时候，撞击的“碎片”中就会产生出“奇异粒子”。在许多的“奇异粒子”当中，最引起科学家兴趣的有两种粒子。这两种粒子分别被命名为θ（希腊字母，读作西塔）和τ（读作套）。
寻找解开θ-τ之谜的路径
θ和τ这两种粒子，都是由宇宙射线撞击一般物质，或者加速器中高能量粒子撞击普通物质的“碎片”中产生的。它们存在的生命期很短，会很快地转变成生命期较长的粒子，这种转变现象在物理学上叫做“衰变”。物理学家也正是看到它们衰变出来的产物，才推知它们的存在，θ和τ这两种粒子具有一些奇特难解的特性，这些特性被当时科学家称为“θ-τ之谜”。
“θ-τ之谜”困惑科学家的地方，在于θ粒子的衰变会产生出两个π介子，而τ粒子衰变，则会产生出三个π介子。介子是日本第一位诺贝尔奖获得者汤川秀树在1934年首先提出理论预测它的存在。这种在粒子衰变中起传送作用的粒子，后来被实验证实确实存在，汤川秀树因此得到了1949年的诺贝尔物理奖。π介子正是这类介质中的一种。
θ和τ这两种粒子，经过许多物理实验证明，测量的结果都显示出这两个粒子具有相同的质量和生命期，似乎是同一个粒子。而物理学家们利用普遍被接受的物理定律去分析时，又得出这两种粒子不可能是同一个粒子。这两种相互矛盾的结果，正是产生所谓“θ-τ之谜”的原因。在一开始的时候，由于对这两个粒子质量和生命期测量的准确性不高，所以当时大多数科学家都比较相信，θ和τ事实上是不同的两上粒子。其实，说θ和τ是两个不同的粒子，是解决它分别变成两个π介子和三个π介子“θ-τ之谜”的最方便办法。但是，科学家显然不愿意如此简单了事。
为了对θ和τ这两种“奇异粒子”作精确的测量，于是就利用加速器来进行研究，因为加速器可以产生数量极多，而且能精确测量控制的粒子数。这种研究“奇异粒子”的状况当时非常热，1956年下半年，纽约长岛布鲁克海汶国家实验室的加速器有百分之六十的机器运转时，都用于进行这种研究。可见，“奇异粒子”当时是人们非常关注的焦点。