國家層面在重視人才的引進和創新平臺的建立。我們之所以要集中國家優質資源興建國家實驗室和新型研發機構併發起大科學計劃，是因為從歷史上的經驗來看，國家創新實驗室和大科學對一個國家當下的安全以及未來幾十年甚至上百年的科學和社會發展起著舉足輕重的作用。
大科學現在雖然還沒有確切的定義，不過一般指投資大、多學科交叉的大型基礎科學研究專案。現在國際上的大科學研究計劃有：大洋鑽探計劃、人類基因組計劃、大型強子對撞機、國際空間站等。大科學計劃所需的財力、人力都不是傳統科研所能比擬的。我們可以從最早的大科學——曼哈頓計劃來體會一下大科學計劃的規模和影響。
曼哈頓計劃是第二次世界大戰期間由美國主導的原子彈研究計劃、以應對納粹德國的原子彈研製計劃，整個曼哈頓計劃共僱有13萬人、花費22億美元（摺合為現在的250億美元）。從快速結束戰爭和原子彈研製過程中湧現出的技術導致了未來的科技進步角度來說，這些錢花的是很值得的。
在原子彈出現之前，人們使用的爆炸物都是化學炸藥。從7世紀到17世紀，火藥（硫磺、木炭和硝酸鉀的混合物）一直是主要的爆炸物，到了18世紀，隨著化學理論的發展，人們對於火藥的設計也有了新的進展，不過也只是在純度和顆粒度等方面改善。這種情況一直要到19世紀中期一個叫做阿爾弗雷德·諾貝爾的人發明了完全不同的爆炸物——硝化甘油。比起火藥，硝化甘油有有更好的穩定性，也就可以用於更廣的用途。諾貝爾本人也因此收穫了鉅額財富，在1896年諾貝爾去世時，他的個人財富達到了1000萬英鎊，根據諾貝爾的遺願，拿出他財富中的一部分設立了諾貝爾獎。自諾貝爾以來，各種形態的爆炸物都被合成出來，包括硝酸銨和TNT(三硝基甲苯)等。這些爆炸物本質上都是利用的物質的化學能。
而原子彈是利用的原子能，是完全不同的一種爆炸物，這得益於人類對於原子結構和亞原子世界的認知的深入。在現在的社會，一切物質都由原子組成幾乎成了常識，不過人類對於原子的認識卻花了上千年的時間，最早的原子論觀點出現在公元前5世紀古希臘的哲學家留基伯和德謨克利特的著作中，這時的原子還是在哲學上的思想，並沒有科學的依據。在中世紀，原子思想由於教會達打壓，而被棄置了數個世紀，皮埃爾·伽桑狄、弗朗西斯·培根、羅伯特·波義耳、伽利略·伽利萊等哲學、科學家努力重拾原子論。到18世紀，艾薩克·牛頓將原子引入自己的科學研究，提出了物質組成粒子說、光的微粒說以及質點和質點系等理論模型。進入十九世紀後，約翰·道爾頓在牛頓的原子論基礎上，結合化學上的質量守恆定律和定比定律，在1808年發表的《化學哲學的新體系》中提出了自己的原子論。1811年，阿莫迪歐·阿伏伽德羅又對道爾頓的理論進行修正，提出原子-分子學說。不過因為原子和分子實在太小，難以觀測，十九世紀，許多科學家都不相信原子的存在。也有科學家相信原子論，，1827年，羅伯特·布朗發現飄浮在水中的花粉迸出的微粒會不停地做表面上無規則運動（布朗運動），隨後魯道夫·克勞修斯和路德維希·玻爾茲曼發展分子運動論。給原子論提供了觀察和理論支援。
之後的一系列發現才證實了原子論的正確：1897年，約瑟夫·湯姆孫發現電子，提出原子的“葡萄乾布丁模型”；1909年，湯姆孫的學生歐內斯特·盧瑟福根據漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登的金箔實驗（用α粒子轟擊金箔）提出了“行星模型”：電子像行星繞太陽轉動那樣繞核轉動。
不過盧瑟福的“行星模型”有兩個缺陷：
1.電子是帶電的，如果電子像行星那樣繞核轉動，在此過程中會發出電磁波，能量降低，最終會與核相撞。
2.實驗觀察到的原子的吸收光譜和發射光譜是分立的譜線，而按照經典物理學的理論，能量是連續的，光譜也應該是連續的。所以需要新的理論來解釋。
在剛剛進入20世紀時，量子論的提出震撼了整個物理學界。量子的觀點由馬克斯·普朗克最先引入來解釋黑體輻射。1905年，愛因斯坦將量子概念引入光學，解釋了光電效應。之後1913年，尼爾斯·玻爾利用量子概念建立了原子的“玻爾模型”完美地解釋了氫原子光譜。1924年，路易·德布羅意提出物質波的概念，維爾納·海森堡和埃爾溫·薛定諤各自提出自己的波函式方程，自此推開量子理論的大門。
隨著對原子的理解的深入，人們對於質量和能量的關係也理解的更深入。愛因斯坦在他的狹義相對論中提出著名的質能方程：E=m·c^2，揭示了原子內部存在著巨大能量的秘密。這裡的c表示光速，是一個相當大的數字：299 792 458m/s，它的平方就是個天文數字。不過這只是理論，至於能不能造出來這種炸彈，當時沒有人知道。
1938年，德國放射化學家和物理學家奧托·哈恩和弗里德里希·威廉·施特拉斯曼發現核裂變現象，揭示了核能利用的可能性。1939年第二次世界大戰爆發，由於希特勒對於猶太人的迫害，很多科學家都移民到了英國和美國，他們擔心德國科學家會在納粹的壓力之下造出原子彈，因為此時維爾納·海森堡還在德國，作為當時最權威的物理學家之一，很有可能實現原子彈的製造。
在眾多科學家的擔憂之下，他們決定由愛因斯坦向時任美國總統富蘭克林·羅斯福寫一封陳述原子能威脅的信件：內容如下：
閣下： 利奧·西拉德和恩里科·費米最近交給我的一些文字材料，促使我認為，鈾材料在最近的將來有可能成為一種新能源。這一研究領域的某些方面值得我們高度關注。如果有必要，還須迅速採取措施進行管理。因此我認為，我有責任提請閣下注意如下事實和我的建議： 在過去四個月裡，人類已經有可能利用大量的鈾進行基於喬里奧特（Joliot）在法國的進展，尤其是費米以及西拉德在美國的進展一鏈式反應，這一過程可產生巨大的“能”和大量的新材料“鐳”。從目前情況看，這一點在不久的將來即可實現。 人們可利用這一新現象製造炸彈，由此可以預見雖然目前還無法十分肯定人們因此可以製造出威力特別巨大的新型炸彈。 鑑於目前的形勢，懇請閣下充分考慮，應否在政府和美國境內從事鏈式反應研究的物理學家團隊之間建立某種聯絡機制。
愛因斯坦的信最初並沒有引起羅斯福總統的重視，直到德國入侵比利時後從比屬剛果獲得大量鈾材料（核裂變的材料）以及關於德國的情報顯示海森堡已經在製作原子彈上邁出了一大步。在美國總統羅斯福的支援下，1940年6月27日，國防部科研委員會（NDRC）成立，由萬尼瓦爾·布什擔任主席，之後又成立科學研究與開發辦公室（OSRD）繼續由萬尼瓦爾·布什擔任主管，進行鈾相關的研究。1941年10月9日，羅斯福總統在與布什和副總統亨利·華萊士會面後批准了原子彈研究計劃，並讓陸軍接手。
曼哈頓計劃由萊斯利·格羅夫斯擔任陸軍方面的負責人，羅伯特·奧本海默擔任首席科學家。團隊成員包括但不限於：愛德華·特勒（匈牙利物理學家，氫彈之父），漢斯·貝特（1967年諾貝爾物理學獎獲得者），詹姆斯·查德威克（中子發現者），理查德·費曼（1965年諾貝爾物理學獎獲得者）等。這一批當時世界最頂尖的科學家齊聚在美國新墨西哥州沙漠裡的阿拉莫斯國家實驗室，和大洋彼岸的納粹德國以海森堡為首的另一夥科學家，展開了生死競賽——誰先研製出原子彈。
雖然美國起步比較晚，不過確是全身心地投入研究，這是一個系統工程，理論上的拓展、技術上的革新都是必不可少的：鈾同位素的提純、合適的炸彈設計、運載系統、起爆裝置、以及其他配套的相應裝置......到了1945年，原子彈終於被研製出來，後來的故事我們都知道了，盟軍攻入柏林之後，德國投降，日本的廣島和長崎被投下兩顆原子彈，之後日本投降，第二次世界大戰結束。
作為人類歷史上第一個“大科學”專案，曼哈頓計劃的成果是很顯著的，原子彈的成功不僅加速了戰爭的結束，也把人類帶入了“原子時代”，在曼哈頓計劃中發展的技術也為我們的生活帶來了巨大改變。現在全球有30多個國家擁有核電站，核電的發電量也佔到了全球發電量的10%；核放射療法也成為癌症的常用療法；核磁共振成像則為醫生診斷提供更加清晰的影象。除此之外，美國在曼哈頓計劃中建設出來一大批的國家實驗室：勞倫斯伯克利國家實驗室、洛斯阿拉蒙斯國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、阿貢國家實驗室和埃姆斯實驗室。些實驗室開創了大規模科研活動的先河，橡樹嶺國家實驗室主管阿爾文·溫伯格稱之為“大科學”。
戰後，布什在《科學，無盡的前沿》（Science, the Endless Frontier）中，向美國總統建議：”美國政府大力支援科學研究，而且政府不需自己設立研究機構，只需提供研究經費，讓大學和私人企業依照研究表現來競爭政府的研究經費“。此後美國政府提供的科學研究經費大幅增加，傑出的研究成果使其成為全球科技第一的國家。
