当时没有人认为有可能是击破了铀原子。击破较轻元素的核则是另一回事，因为较轻元素的核所含粒子较少，也许互相问的束缚并不紧密，击破它们并不需要多大能量。但是在20世纪30年代初期，没有人会想象到有可能在牢牢束缚的重铀核中释放出巨大能量。对于这一点，卢瑟福、爱因斯坦和玻尔的意见是完全一致的。
但4年后，就在迈特纳和弗利胥雪地漫步之际，从不同实验室传来的不可思议的结果开始碰到一起。在巴黎，约里奥·居里（玛丽与皮埃尔·居里的女儿）和她的同事萨维奇（PavelSaviteh）在这方面已经得到一些令人惊奇的结果。几个月前，他们刚刚发表一篇论文，证实用中子轰击铀时产生了一种物质，似乎是镧——这种元素在周期表中的位置比铀低35格！也就是说，镧元素的原子序数是57，而铀是92。（原子序数表示质子或带正电荷粒子的数目）人们绝不可能想到如铀这样的重元素还有可能被击破。
这一消息引起高度争论，哈恩已着手证明约里奥·居里和萨维奇是否已“把事情弄糟”（有一位正在访问的放射化学家听到他这样评论）。哈恩和斯特拉斯曼开始轰击自己的铀样品。但是在经过多次重复之后，他们在1938年11月也报告了一系列令人惊奇的新结果。他们发现了三种同位素，是过去从未有人鉴定过的，他们相信这些同位素是属于第88号元素镭。他们在1938年11月出版的论文中写道，这“一定是由于发射了两个连续的a粒子”（a粒子是带正电的亚原子粒子，由两个质子和两个中子组成）。尽管镭并不那么接近镧在周期表中的位置，但哈恩和斯特拉斯曼的报告仍然和约里奥·居里及萨维奇的论文一样，引起了人们的怀疑和兴趣。哈恩后来写道，玻尔“对此表示怀疑，问我是不是高度不可靠”。对此，哈恩从内心同意。整个形势令人迷惑不解。是不是在实验中出了什么差错？哈恩和斯特拉斯曼回到实验室继续工作。故事就像他的信中所写。在迈特纳度假之前，她已经收到了来自哈恩的一封信，是12月19日写的，信中写道：
“关于铀的活性，我已竭尽可能，斯特拉斯曼也是全力以赴。……现在几乎是晚上11点钟了……事实是，‘镭同位素’里面有如此奇怪的东西，到现在为止我们只告诉您一个人：……我们的镭同位素行为就像钡。”
这是比以前更为神奇的结果。钡的原子序数是56！比铀的92一半略微多一点。
哈恩在信中继续说道，“也许您能够提出某种有趣的解释。我们知道，它绝不可能分裂成钡”。在信中他的表述一清二楚（并不正确），“……因此，请您想一想，是否还有什么别的可能？”
因此，当迈特纳发现在昆伽夫另有一封来自哈恩的信等着她时，并不感到意外。哈恩写道，进一步的实验有助于确定的确是生成了钡。作为化学家，哈恩认为自己有十足的把握。用慢中子轰击铀生成的不是镭，而是钡。她有没有可能提出另一种更合理的解释呢？这就是迈特纳和年轻的弗利胥在那个冬雪的日子里面对的如此困惑的问题。
正如后来弗利胥所写：“从原子核里从来没有分裂出比质子或氦核（α粒子）更大的碎片，而且也没有足够的能量来做到这一点。再就是，没有可能把铀核一分为二。原子核并不是易碎的固体，可以被劈开或者击破……”
其实，当时最新的核理论已经由俄国物理学家伽莫夫（George Gamow，1904—1968）提出，并得到了弗利胥的导师玻尔的补充，他们把原子核比作一滴水。迈特纳和弗利胥在雪地散步时，开始假设原子核有可能分裂成了两个更小的“液滴”，就像挂在屋檐下或者雨伞边沿的水滴那样。它有可能是缓慢地伸长，形成狭窄的颈部，最终分离开来，而不是一下子就分裂为两个部分。
他们两人坐在一根原木上，从口袋里拿出纸片，在上面潦草地写下了几个公式。他们发现，铀核的电荷实际上已经大到足以抵消表面张力，从而使铀核变得很不稳定。单个中子就可以把它击破。“但是还有另一个问题”，据弗利胥回忆道：
“分离之后，两个碎片由于相互间的电斥力而远离，远离速度之高因而带有非常大的能量，能量总共大约为200 MeV（百万电子伏）。这个能量从哪里来呢？幸运的是，迈特纳记得计算原子核质量的经验公式，从而算出两个从铀核分裂的核加在一起要比原来的铀核轻，大约轻五分之一的质子质量。根据爱因斯坦的质能公式E=mc2五分之一个质子的质量正好相当于200 MeV。这就是能量的来源，一切都很吻合！”
迈特纳和弗利胥在耀眼的雪地里相互对望。在日常生活中200 MeV并不算很大的能量，可是对于单个原子，释放这么多的能量却是很大的数量。许多化学反应只产生5个电子伏的能量，而这个过程产生的能量却是它的4 000万倍。
有了哈恩的结果和计算的公式，可以断定，哈恩和斯特拉斯曼已经做了难以企及的事情。他们击破了铀原子。当迈特纳和弗利胥坐在瑞典的雪地里时，他们意识到了这一点。他们还意识到，如果这一能力落到纳粹手中意味着什么。原子裂变所释放出的如此巨大的能量将有极大的破坏力。当然迈特纳和弗利胥得到的结论对科学界来说也是极其重要的新闻，出于科学和政治两方面的理由，都必须让正义的人民知道这一消息。
当迈特纳回到斯德哥尔摩她的实验室时，弗利胥也匆忙返回丹麦，他在那里的玻尔研究所工作。当他到达时，玻尔正准备坐船去美国参加一个会议，弗利胥向玻尔讲述了发生的事情。
“哦，我们大家多么愚蠢？哦，这真是神奇！但正应该如此呀！”玻尔惊呼，用手敲击脑袋。他非常激动，鼓励弗利胥和迈特纳一起尽快发表一篇论文，解释哈恩一斯特拉斯曼的结果。然后他上船去了美国。途中他向一位同事讲述了这一激动人心的消息，在1939年1月16日的会议上，消息泄露了出去，后来才知道，这时迈特纳和弗利胥的论文还没有发表（好心的玻尔后来经常为这一疏忽表示歉意）。仅仅过了一夜，全美国各个大学的物理学家和化学家就开始检验这一命题，确证这是真实的。原子被击破了！物理学界和化学界被弄得神魂颠倒。
和希特勒竞赛
根据迈特纳从哈恩处得到的消息，德国科学家已经实现了核裂变，这使美国上下一片惊慌。若是如此，希特勒就有可能已经成功制造出原子弹，其破坏能力会是相当惊人的。如果这一武器在战争期间落入不讲原则的领导人手里，其后果将不堪设想。于是抢在希特勒前面，打击希特勒，赢得战争，就成为当务之急。
1939年，西拉德（Leo Szilard，1898—1964）成功地说服了爱因斯坦——这位世界上最有影响的科学家，一起去说服美国总统罗斯福（Frankin Delano Roosevelt，1882—1945），让他相信美国迫切需要进行一项研制裂变炸弹的紧急计划。爱因斯坦这样做了，其实这大大违反了他一直持有的信念，因为爱因斯坦是一位热忱的和平主义者，但是希特勒和纳粹已经变成了世界上最可恶的势力。在爱因斯坦难得的支持下，一项绝密的计划产生了。它的代号就是曼哈顿计划，其目的就是建造“原子”弹。
费米的核反应堆
正如哈恩和斯特拉斯曼所证明的，铀核可以分裂。对于一个原子来说，巨大的能量由此可以被释放。但是要启动这一战略性武器，首先需要更多的能量。为此，必须进行链式反应，而链式反应以前从来没有人实现过。所以尽管没有人怀疑能够建造原子弹，但第一步却是要证明链式反应真正能够发生。
费米这件工作落到了来自意大利的能干的物理学家费米身上，他在1938年获得诺贝尔物理学奖——正好是迈特纳和弗利胥以裂变解释哈恩—斯特拉斯曼结果的几个月前。费米利用他到斯德哥尔摩参加诺贝尔奖颁奖典礼之机，与家人一起逃避了墨索里尼（Benito Mussolini，1883—1945）在意大利的法西斯统治。费米一家离开时只带了少量财产，以后再没有回去，在美国定居下来。
于是，就在芝加哥大学运动场的看台下，费米领导一组科学家建造了一座试验“堆”（他这样称呼）。他在6年前就已经知道用查德威克的中子轰击铀原子核的方法，现在他要使它成为现实。
其实，当战前还在意大利时，费米就在用中子“炮弹”探测原子结构的实践方面遥遥领先。当查德威克宣布他的发现时，费米马上就认识到了中子对他的工作的优越性。α粒子和质子带的是正电荷，会被原子核的正电荷排斥。但是中子不带电荷——所以，它们不需加速，很容易被核吸收。
费米还发现慢中子更有效，特别是被石蜡减速的情况下。当它们到达对象时，因为运动得如此之慢，很容易就被原子核吃掉。
现在，在芝加哥，他的目标是装配一组试验反应，这个反应要能以缓慢的速率进行，以便物理学家能够监控它，并且避免爆炸。他应用自然存在的铀矿，其中大部分是稳定的铀—238。他建造了铀层和石墨层相问的结构：铀是为了促成反应，石墨则是为了减慢中子运动速度。他用了6吨铀、50吨氧化铀和400吨石墨块。镉棒阻隔反应发生，直到一切都准备就绪。
1942年12月2日，费米把控制棒从反应堆中抽出，链式反应立即开始。不稳定的铀—235核被中子击破，击破的原子嬗变又产生更多中子流，这些中子再从铀块发射到石墨中，在石墨中减速，然后进入下一块，击破更多的铀—235核。随着反应的不断进行，温度不断增加。尽管这只是一次试验，并没有指望它产生动力，但“芝加哥一号”堆仍然是世界上第一台核反应堆。原子时代开始了。还有，通向曼哈顿计划的道路也畅通了。
曼哈顿计划
正当第二次世界大战在持续摧毁无数人的生命时，美国政府秘密集结了国内顶尖科学家——其实许多是世界上顶尖的科学家——来到名为洛斯阿拉莫斯的沙漠之地。洛斯阿拉莫斯位于新墨西哥州中北部边远地区，是一块荒凉的平顶高地，其附近唯一的设施就是一所私立男子学校。这块高地处于落基山脉最西端，崎岖的基督圣血山（Sangre de Cristo）以西30英里。
胖子：在洛斯阿拉莫斯研制的内爆型原子弹来到洛斯阿拉莫斯的人都要宣誓遵守严格的安全限制。美国大学的精英都集中到了这里：大批数学家、科学家、工程师和化学家，他们的任务就是决定，为了制成这一世界上从未见过的最致命的武器，需要多少材料，怎样组织最有效。他们的任务还有设计和试验器件，把材料结合在一起，构成爆炸单元。他们要计算出需要多少矿产和原料，怎样以最佳的方式进行组合，以便得到最有效的链式反应，以及设计爆炸装置系统，以便引爆。
这一计划的领导人是奥本海默（RobertOppenheimer，1904—1967），一位瘦高个的年轻人，以其才智和感召力著称。在洛斯阿拉莫斯，他建立了一个团队，其能力、强度和专注程度无与伦比。任务是绝密和极端重要的。但是对于那些人来说，建造原子弹也是一项巨大的挑战，它将考验他们的智力、推理和逻辑能力。
该团队用了4年时间在洛斯阿拉莫斯设计和建造了两种类型的原子弹。一个叫做“小男孩”，是一颗铀弹，用U-235“子弹”触发，而这颗“子弹”是靠爆炸推进到U-235球中。另一个叫做“胖子”，是钚内爆型炸弹。它由钚作为核心，周围环绕由钋和铍组成的导管以及一圈爆炸引子。
一次原子弹试验后与众不同的放射性粒子蘑菇云。至1945年7月，四颗炸弹已经完成：一颗钚装置，放在塔上准备试验之用；另外两颗，每种类型各一颗，为了可能的应用，还有一颗钚弹，备用。
具有讽刺意味的是，就在1945年5月，德国已经向盟军投降。对于许多科学家来说，由于跟德国和意大利的战争已经结束，起初为了阻止德国的军事力量和赶在德国之前制造原子弹的这场竞赛，突然失去了目标。
在整个这段时期，玻尔都在力争对这一计划作一项国际声明，至少他要让俄罗斯知道。他相信，争取国际控制是操纵这一强大炸弹唯一的安全措施。但是他的建议遭到美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔的极大怀疑而被弃之不理。
然而，第二次世界大战仍然没有结束。1945年7月，太平洋战场酣战未休。日本军队继续对包括美国和英国在内的盟军进行着血战。日本有一句古老的谚语，这是一位长期驻日的美国记者报道的：“我们将战斗到吃石头！”美国人开始相信，几乎没有什么办法能使日本投降。
在洛斯阿拉莫斯的科学家中，有些人的亲戚正在太平洋作战。他们希望战争越快结束越好。他们中的许多也坚定地相信，应该发出一个警告，以便在投下炸弹之前给日本人以投降的机会。
曼哈顿工程及其后果是科学家面临伦理问题最生动的例证之一——在此期间，玻尔和爱因斯坦的行动，例证了科学家针对这一挑战所作的努力。
广岛和长崎
1945年7月16日，由于恶劣的天气和危险的风向而延迟几小时之后，第一颗“胖子”在新墨西哥州中南部阿拉莫戈多（Alamogordo）的特林尼特试验场进行试验。情况和计划相符，第一颗原子弹在沙漠中爆炸成功。科学家们欣喜若狂。正如一位科学家所说，这一成功代表了他们生命中最好的年代，这是一段高强度、富有成果、工作极其专注的时期。
然而，下一步发生的事却使他们充满恐惧。尽管，正如爱因斯坦曾经说过的那样，这是无法抗拒的必然结果。1945年7月26日下午7点，美国总统杜鲁门（Harry S．Truman，1884—1972）发布文告，后来叫做《波茨坦宣言》，由杜鲁门、蒋介石和丘吉尔签署，7月27日东京时间早上7点向日本广播。声明下达最后通牒，要求日本无条件投降，并附带条款，结论是：“若非投降，日本即将迅速完全毁灭。”
如果日本决定继续战争，宣言宣称：“吾等之军力，加以吾人之坚决意志为后盾，若予以全部实施，必将使日本军队完全毁灭，无可逃避，而日本之本土亦必终归全部残毁。”
次日，日本首相铃木贯太郎举行记者招待会回应波茨坦宣言，他声言：“……没有别的出路，只有不予理会并且战斗到底，以求成功结束战争。”
有关这一交锋的细节，争论持续了几十年，但美国已经发出了警告，而日本表示要战斗到底。就在这时，两颗原子弹，一颗代号为“胖子”，一颗代号为“小男孩”，已经离开新墨西哥州，在太平洋上辗转飞行。