John Benjamin Hickey扮演主人公Frank Winter，一个才华横溢但是有自毁倾向的物理教授，他奉命主导曼哈顿计划的研发。这项绝密任务不仅将危及他的家庭，还将伤及他的心智。Ashley Zukerman扮演Charlie Abrams，一个聪明绝顶的年轻人，自认为是一个「整天和数字打交道的人」。他的智商高达180，而且很有幽默感。Daniel Stern扮演心理顾问Glen Babbit，负责为参与曼哈顿计划的年轻物理学家们提供心理辅导。他利用自己的智慧和机智小心穿梭于洛斯阿拉莫斯的政治雷区。Rachel Brosnahan扮演来自波士顿的女孩Abby Abrams，她一时冲动同意和丈夫Charlie Abrams来到一个几乎「前不着村后不着店」的地方，但很快意识到这里的生活非常艰难。Harry Lloyd扮演野心勃勃的牛津大学毕业生、物理学家Paul Crosley。当他意识到自己将建造世界上第一颗原子弹时，他对工作的忠诚开始动摇。Katja Herbers扮演Frank Winter教授实验团队的成员Helen Price，是极少数参与曼哈顿计划的女性科学家之一。Christopher Denham扮演物理天才Jim Meeks，应邀加入研制原子弹的绝密项目，是Frank Winter教授实验团队的成员之一。Olivia Williams扮演天才植物学家Liza Winter，有一段非常复杂的历史。她陪伴丈夫Frank Winter（John Benjamin Hickey）来到洛斯阿拉莫斯生活，但她很快发觉这座城市周围的环境出现了异常变化。Alexia Fast扮演Frank和Liza的女儿Callie，虽然只有16岁但非常世故，说话尖酸刻薄。Frank因为工作的缘故三天两头不在家，而且每次都是「神秘消失」，Callie对此充满抱怨。David Harbour扮演多集角色Reed Akley，是洛斯阿拉莫斯最有名的「金童」，领导着超过600名科学家组成的庞大团队。Michael Chernus扮演Frank团队中的科学家Louis “Fritz” Fedowitz。Carole Weyers扮演在洛斯阿拉莫斯工作的电话接线员Elodie，是个法国人。Daniel London扮演曼哈顿计划的主导者、著名理论物理学家奥本海默（Oppenheimer），他当时是洛斯阿拉莫斯实验室主任。
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