1926. Cambridge, Cavendish Laboratory. J. (pour Julius, ce que le film ne dira jamais, le personnage refusant de répondre, et donc seule allusion à ses origines sociales) Robert Oppenheimer (Cillian Murphy) est un étudiant brillant en physique, mais maladroit, angoissé, quasiment psychotique, rêvant des structures profondes qui se cachent derrière le chaos apparent de l’univers. Son comportement erratique en fait un sujet de ridicule pour les autres étudiants, mais il est remarqué par Niels Bohr (Kenneth Branagh), venu donner une conférence, comme celui qui a posé la seule question pertinente. Sur ses conseils, Oppenheimer s’en va terminer son doctorat dans d’autres universités où ses talents seront mieux exprimés, notamment à l’université de Göttingen, où il rencontre Werner Heinseberg (Matthias Sweighöffer), Edward Teller (Benny Safdie), Isidor Rabi (David Krumholtz), entre autres…
Revenu aux États-Unis, il intègre le nouveau département de physique de Berkeley en 1936, où il ouvre un cours de physique quantique, qui rencontre bientôt un grand succès, et à CalTech. Il a pour collègue Ernest Lawrence (Josh Hartnett), prix Nobel de physique en 1939. Il fréquente des réunions de sympathisants et de membres du parti communiste, et s’engage notamment en faveur des républicains espagnols. Il commence une relation amoureuse avec une communiste, Jean Tatlock (Florence Pugh). Alors que la guerre éclate en Europe, son engagement politique (et celui de son frère) est une gêne, à la fois pour sa carrière, mais aussi pour ses collègues, dont Lawrence qui le confronte. Oppenheimer décide alors de montrer patte blanche. C’est ainsi qu’il est approché par le général Leslie Groves (Matt Damon) qui décide de l’intégrer au Projet Manhattan en 1942. L’année suivante, Oppenheimer prend la direction du site de Los Alamos (qu’il a lui-même suggéré à Groves) où sera développée la première bombe atomique…
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