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在曼哈顿工程初期，物理学家们曾仔细考虑爆炸规模可能会远超他们计算结果的危险。有人担心巨大的爆炸可能会引燃地球大气中的氮气，甚至可能会毁灭这个星球。当然后来的计算似乎推翻了这种可能性。但是当晚在沙坡上观察所里的恩里科·费米还是玩了一手黑色幽默。他提议下注赌这枚核弹引燃大气的可能性，以及如果真的引燃大气，被毁灭的是新墨西哥州还是整个世界。他的同事很可能答道，无论结果如何，赢的钱谁都拿不走。
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在指挥地堡里，奥本海默和格罗夫斯带领着一个大约20人组成的技术组和通信组。这狭小、封闭的空间里挤满了电子设备和无线电台。他们对当晚的天气忧心忡忡。云层中时而会出现一道闪电，天气预报称南方有阵雨。一个气象小组和正在头上盘旋的装有特殊设备的B-29气象侦察机建立了无线电联系。如果风力过大而且风向不对，那么致命的辐射尘就有向东飘浮300英里落在得克萨斯州阿马里洛市的风险。但是在破晓前一小时，他们确定气象条件没问题。
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在距离试爆还有20分钟时，“零区”升起了第一枚红色警告信号弹，之后还有数枚这样的信号弹将要升空。此时留在铁塔周围的所有人都乘上吉普车离开此地，开往地堡。无线电中有一个僵硬的声音在报时。在地堡里，人们趴在各自的仪表板上。气氛十分紧张，时间仿佛凝滞了。科南特博士说他“从来没想过一秒钟会这么长”。[85]奥本海默没有说话，甚至似乎连呼吸都没有；他透过地堡那暗到几乎不透光的蓝色窗户凝视着外面，手扶着一根木桩，以支撑自己的身体。还差10秒试爆时，一枚绿色信号弹升起，随后穿过“零区”上空的云层缓缓落下。这最后的10秒钟如同永远那么长。无论他们怎么看待作为武器的这枚炸弹，这些科学家都已把数年光阴投入它的制造中，为此赌上了整个现代物理学的声誉；他们还说服了山姆大叔把纳税人的钱源源不断地拿来为此付账。有个见到这一幕的人评论道，无论他们有怎样的宗教信仰或是有无信仰，“都可以肯定地说，在场的大部分人都在祈祷，比以往任何一次祈祷都更努力”。[86]
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凌晨5时30分，秒针指到了0，大喇叭里传来声音：“开始。”起初是一个刺眼的白色光点，几乎转瞬之间它就变成了一个直径半英里的小太阳，如同照相机的闪光灯那样明亮，连黎明前的黑暗都被巨大的光芒驱赶得无影无踪。转眼间，地平线以内的整个沙漠都被照得如同白昼，接着大部分光芒被吸回到爆炸的旋涡之中，至少在观察者眼中是如此的。随后，巨大的火球升入天空，仿佛液化了一般，变成了翻滚的霓虹，金色、绿色、橙色、蓝色、灰色和紫色，幻化成了迷人的万花筒。火球垂直延伸，变成了一根烟火交错的巨柱，穿透云层，升腾到1万英尺、2万英尺、3万英尺高空。烟柱顶上出现了一片蘑菇云，其高度后来估算达到了4.1万英尺，而蘑菇云的根部仍然是一片汹涌翻腾的烟尘，如同镁光般明亮，但是更加多彩。方圆40英里内的新墨西哥荒原被笼罩在蓝紫色的光芒之下，所有山丘、沙坡和沟壑都被照得纤毫毕现。
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在地堡、观察所和营地里，人们都站了起来，像小孩子那样互相拥抱，拍打后背，握手，大声欢呼，大笑着手舞足蹈。奥本海默脸上的紧张消失了，取而代之的是一副如释重负的表情。聚爆式钚弹起爆装置的设计者奇斯佳科夫斯基博士终于证明了自己的设计行之有效，他高兴地一把搂住奥本海默，发出了胜利的吼叫。有人对格罗夫斯将军说：“结束了。”格罗夫斯答道：“是的，等我们把两枚炸弹扔到日本之后。”[87]
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在沙坡上，绝大部分观看者在等候冲击波抵达时都将要他们卧倒的告诫抛诸脑后。爆炸45秒后，眼前幻境般的世界仍然保持着寂静——他们能感到热量扑面而来，却听不到任何声音。最后，声音还是来了，那是一种连续、可怖、粗重的轰鸣，伴随着一阵狂暴的热风，脚下的大地也在颤抖。大地的回声融合成了一阵阵逐渐变响继而衰弱的声波，持续了很久才告消失。有人觉得和他们亲眼看到的壮观视觉效果相比，这冲击波并不算强，甚至有点虎头蛇尾。这固然没错，但其原因仅仅是他们距离“零区”太远了而已。
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发出最初的胜利欢呼之后，观看者们很快平静下来，开始思考。欧内斯特·O.劳伦斯记得自己“带着敬畏招呼所有人安静下来”。[88]对于奇斯佳科夫斯基来说，核爆炸是“最接近人们所能想象的审判日的事情。我确信，在世界终结之时——地球存在的最后一毫秒——最后一个人将会看到我们刚刚见到的那一幕”。[89]当他们乘车离开试验场时，太阳从东方地平线上探出了头。菲利普·莫里森发现太阳照在脸上的热感和此前爆炸时如出一辙。他说，这天早上“我们有两次日出”。[90]
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远在北边的圣菲市，西边的银城市，还有南边的埃尔帕索市，都能看见核爆的闪光。在“零区”北面175英里外的阿尔伯克基，早起的市民们停下了脚步，想要知道南方地平线上的那道闪光到底是什么。根据当地报纸的一篇报道，就连城中一名失明女童都喊了出来：“那是什么？”[91]为了平息这些难以回答的询问，格罗夫斯安排附近阿拉莫戈多航空兵基地的指挥官发布一份声明，称基地的一座弹药库发生了爆炸。[92]
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核试验次日，几个勇者回到“三位一体”基地去观察爆炸的影响。他们携带的用来测量放射性的便携式盖革计数器狂叫不止，他们干脆将其关掉。为限制在辐射中暴露的时间，他们采取了一种“十分钟原则”：每个人只能进入基地一次，只能停留十分钟。在距离“零区”一英里处，沙漠中的灌木被烧焦并倒向远离爆点一侧；离得更近的植物则被完全烧掉。原先铁塔矗立的地方变成了一个直径1 200英尺的浅坑，坑底有一堆碎屑。地面变得平整而光滑，其中能看到一些发绿的线条：沙子都被变成了玻璃。
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弹坑中央的地面上有一片淡淡的锈红色。观察人员判断这是汽化后的氧化亚铁凝华后和沙子中的硅熔合在一起所致——换言之，这是原先承载“三位一体”炸弹的那座10层高铁塔的最后遗迹。
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当天晚些时候，核试验成功的第一份报告在当地时间晚7点半被送抵波茨坦。战争部一名助理向史汀生发去电报：“今早进行了试验。尚未得出结论，但结果看起来很理想，已经超出了预期。”[93]史汀生随后走到“小白宫”，把消息告诉了杜鲁门和贝尔纳斯，二人闻讯大喜。含义模糊的第一份电报到达之后，又有几份电报接踵而至，也都写得模棱两可。7月21日，出自格罗夫斯之手的长篇详细报告经由信使送达。爆炸威力相当于1.5万吨至2万吨TNT炸药，位于此前预计的威力范围的上限处。格罗夫斯曾经夸口说五角大楼（他的前一个作品）对空袭免疫，现在他收回了自己的话。
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史汀生把报告全文读给了杜鲁门和贝尔纳斯。这位战争部长在日记中写道，总统“极度兴奋，只要见到我，就一遍一遍地和我说这事”。[94]丘吉尔也发现第二天上午和斯大林会谈时，杜鲁门表现出了不知从哪里来的兴奋，“以最坚定而果断的方式与苏联人对峙，向苏联人提出了一些他们绝对做不到的要求，还说美国完全反对他们”。[95]
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和顾问们讨论之后，杜鲁门决定让斯大林知道“三位一体”试验的事情，虽然只能用最笼统的方式。7月24日晚上，他找到这位苏联领袖，（通过翻译）对他说美国已经开发出了一种“破坏力非同寻常的新武器”。斯大林看上去不为所动，只是平静地说希望美国人好好用它来对付日本。杜鲁门搞不清对方是否领会了他所说事情的重要性。他并不知道，也没想过苏联间谍早已成功渗透进了曼哈顿工程，苏联人早已对原子弹一事了如指掌。
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美国的情报破译人员早已破译了日本政府与驻各国首都外交官之间的通信密码。这种通信内容的代号为“魔术”（MAGIC），对它们的总结和分析被写成绝密的报告，发给美国政府和军方的高官。因此，美国领导人完全知道东京想要说服苏联政府充当中介来找盟国和谈。日本外交大臣东乡茂德和驻莫斯科大使佐藤尚武之间急切的电报往来都在美国人面前现场直播，而且很值得一读。东乡发给佐藤的“极度紧急”电报的内容显示了他的绝望感。7月11日，他要求大使“十万火急”地拜访克里姆林宫。次日，东乡又要佐藤向外交人民委员莫洛托夫转达，“天皇陛下”本人希望“尽快恢复和平”。[96]在这些截获内容的批注中，美国情报分析人员写道，这是第一次有确凿证据表明，是裕仁在推动这些发往莫斯科的外交请求。
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佐藤在外交部门服务年限较长，比东乡资历更深，而且他自己原来也当过外交大臣（1937年）。因此他不会完全服从现任外交大臣，而是毫不犹豫地直白提出了自己对于这些最后时刻绝望之举的重要意见。佐藤告诉东乡，要他去提的这种模糊不清的请求是从来不可能说动克里姆林宫的。苏联人“极其实际”，任何缺乏明确可实施路径或者盟军确实可接受条款的提案都不可能说动他们。“如果大日本帝国真的有必要结束战争，”7月12日他如此对外交大臣说，“我们必须首先统一思想来做这件事。”[97]日方从未明文表示过要这样做，东乡只能根据最高战争指导会议达成的三心二意的共识来做事。任何包含了具体和平条款的提案都会令决策团队分裂，并导致铃木政府倒台。
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在他后来发给东京的电报中，佐藤劝政府认识到战争已经输了，这意味着日本“别无选择，只剩下无条件投降或以近似于此的形式投降”。他判断，唯一可以和盟军谈的条件就是“保留我们的国体”，也就是说保证让裕仁留在皇位上。[98]但东乡却只是反复重申此前的指示，即请求克里姆林宫协助安排议和。他写道，此时确实急需和平，但是“另一方面，现在国内很难立刻确定可实施的和平条款”。[99]佐藤能够读懂其中的言外之意：政府内部的分裂无望化解，强硬的军国主义分子憎恨任何类似无条件投降的字眼。东乡的双手是被束缚住的，佐藤也一样。
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当波茨坦会议进行到第二周时，美国人面临着如何结束太平洋战争的急迫决策。“没落”行动的准备工作已经在进行，计划进攻日期是11月1日。情报显示，九州岛上的日军兵力正在增长。美国人开始讨厌让苏联人加入战争，但他们知道自己没有办法让这位红色盟友置身事外，而且苏联红军最迟到8月中旬就能做好进攻中国东北的准备。根据格罗夫斯将军的报告，两枚原子弹将在接下来的两周时间里做好向日本投掷的准备。还有些人从道德角度反对在不明确加以警告的情况下便使用这种武器，反对用城市来取代军事目标作为轰炸对象。曼哈顿工程的各部门科学家都提交了请愿书。海军部次长兼临时委员会成员拉尔夫·巴德倾向于提前进行警告。他给史汀生写信道：“这一考虑主要是出于美国作为人道主义大国的地位以及我们人民的公平竞争精神。”[100]
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然而，临时委员会及其下级委员会，以及政府内阁的主流想法始终是应当将原子弹用于对付日本。他们考虑过进行一次力量展示或者警告，但最终否决了这个提议，主要是由于这看起来不可能让日本投降。科学顾问团（奥本海默、科南特、劳伦斯和费米）承认曼哈顿工程的科学家们观点不尽相同，他们的结论是：“我们无法拿出任何足以结束战争的技术展示；除了直接用于军事之外，我们看不到其他可接受的选项。”[101]
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目标选择委员会已经拿出了列有四座城市的最终目标列表：广岛、长崎、小仓，以及新潟。之所以选择这四座城市，是因为它们还没有被常规轰炸夷平，这样就能最充分、最清晰地展现原子弹的威力。早先的列表上列入了京都，但是史汀生把它划掉了。原因是这座日本古都重要的历史和文化遗迹都是独一无二的，史汀生担心摧毁这里会引起后世日本人的仇恨。（这位战争部长不得不两次把京都从名单上划掉：很明显，格罗夫斯真的很想轰炸这座城市。）广岛和小仓是重要的军事基地、仓库、兵工厂所在地；长崎和新潟则仅仅是作为重要的航运和工业中心而入选。在发给第20航空队的命令中，这四座城市被排除在轰炸目标之外——让它们远离李梅的火攻，留下来，别碰，保持完整，这样就能让原子弹把它们一击摧毁。虽然此时雷达瞄准已经足够可靠，但原子弹还是会在晴朗天气下投掷，这样就能从空中看到核爆炸并进行拍照：“由于四座城市相距甚远……即便天气各不相同，这四个目标也很可能至少有一个天气晴朗。”[102]
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同盟国原则上同意要向日本发出最后的警告。在纳粹德国的废墟中，从波茨坦，签发这份公告，将会赋予这份最后通牒以象征意义——让日本人知道，他们现在已经没有盟友了，他们自己很快也将是相同的命运。但是公告的具体文字还要经过漫长而复杂的争论才能敲定。在此前的几份文件，包括《大西洋宪章》、《开罗宣言》以及（一个月前在旧金山签署的）《联合国宪章》中，同盟国已经将他们的战争目标和对战后国际秩序的设想和盘托出。现在问题来了：是否应该重申并进一步阐明它们？盟国应当将占领日本的意图表达到何种程度？美国阵营中的几位领军人物，包括史汀生和格鲁，倾向于承诺将现有的天皇帝制作为日本新宪法的基础。他们分析认为，这样的承诺或许能加强东京议和派的力量，甚至可能让天皇直接做出决定。不仅如此，他们还说，盟国需要裕仁来强制要求日军投降并作为听话的代理人。而另一些人，尤其是国务卿贝尔纳斯，则反对任何可能偏离无条件投降原则的承诺，他还认为这有可能被日本人视作盟国对其无能为力的信号。
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7月17日，当“三方声明”的文稿在盟国政府之间审阅时，美国参谋长联席会议从华盛顿发出电报，提交了一份建议稿。原有文稿中写道，日本人民将会自行选择政府，这就“可能包括以现有皇室为基础的君主立宪，如果这样一个新政府能让全世界完全相信其永不发动侵略的话”。而按照联合战略考察委员会，即参联会的“智囊”的建议，参谋长们推荐完全删除这一句。这样做有两个理由：首先，关于“现有皇室”的内容可能会被误解为想要裕仁让位于他的儿子；其次，这一提案表明盟国有意维持日本的“天皇崇拜”体系，因而会打击“日本的进步势力”。[103]这两条分析都不怎么有说服力。第一个反对意见只要澄清用词即可解决，无须全部删除；第二个意见则完全没有意义，因为“日本的进步势力”无力影响其投降决策。尽管如此，关于删除此句的提议还是得到了杜鲁门和他在波茨坦的顾问们的认可，而且显然没有什么争议。莱希和马歇尔看起来都是毫无疑虑地支持删除，虽然二人此前都倾向于明确天皇的战后地位。
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7月24日，史汀生最后一次想要把保留日本政体的条款重新写进去。据他在当天晚些时候写的日记，史汀生见到了杜鲁门，“告诉他，我认为向日本人承诺保留其帝制是很重要的，而且我觉得把这一点写入正式警告很有必要，或许这正是能让他们接受公告的因素”。[104]杜鲁门以实际操作方面的理由拒绝了他，解释说公告文稿已经发给蒋介石签字了。史汀生也就作罢了，不过他还是建议杜鲁门做好准备，在开始和日本政府进行直接会谈后，通过外交渠道向他们做出口头保证。
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与此同时，华盛顿正在起草和下发执行核攻击任务的命令。驻提尼安岛的一支特殊的B-29航空大队已经接受专门训练以投放原子弹，他们已经做好了执行任务的准备。超级武器的各个部件已经通过空运和海运送到了马里亚纳群岛。最近刚刚被任命为太平洋美国陆军航空队战略航空兵总司令的卡尔·斯帕茨将军此时正在华盛顿。7月25日，他来到战争部报到，和马歇尔离开时代理陆军参谋长职责的托马斯·H.汉迪将军进行了商议。斯帕茨接到了关于投掷两枚原子弹的口头命令，但他告诉汉迪，他需要得到写有命令的“一张纸”。于是汉迪起草并签发了一道命令，指示第20航空队“在1945年8月3日之后，一旦天气允许进行目视轰炸，就要向以下目标之一投掷第一枚特种炸弹：广岛、小仓、新潟和长崎”。而且“一旦完成整备”，就要向同一份列表中的城市投掷另一枚炸弹。[105]最后一句命令还补充道，这一指示是在史汀生部长和马歇尔将军的“指导和批准下”发出的。这是唯一一份要求用核武器攻击日本的书面命令。
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同一天（7月25日）在波茨坦的“小白宫”，杜鲁门独自面见了他的战争部长——如果总统的日记可信的话，那么他对史汀生的口头指示和华盛顿刚刚发出的命令并不一致：
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我告诉战争部长史汀生先生，使用的时候要以军事单位或陆海军队作为目标，而不要打击妇女和儿童。虽然日本人野蛮、狂暴、残忍而且疯狂，但我们是为全世界争取福利的领导者，不能把这种可怕的炸弹扔在日本的旧都或新都上［指京都和东京］。
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