找准差距 迎头赶上，迎头赶上奋起直追
2020年10月29日，北京大学哲学系教授周程应邀在由北京大学科技与医学史系创学部长韩启德院士牵头开设的本科生通识课程《当代科学史》中，围绕“诺贝尔科学奖与20世纪科学”主题授课。 周程指出，在1901年至1. 20年对诺贝尔科学奖的授奖数据进行处理后，诺贝尔科学奖史上出现了1. 20世纪初期德国诺贝尔科学奖获得者人数独占鳌头的三大奇观。 2 .二战结束后，美国诺贝尔科学奖获得者人数遥遥领先3. 21世纪初期诺贝尔科学奖获得者人数井喷。 周程认为，中国要实现更多的从0到1的研究突破，政府需要持续加大高等学校研发经费的投入。 此外，高等学校也要努力创造条件，使中青年教师能够为追求真理而专心于科学研究。
01
诺贝尔科学奖120年历史上的三大奇观
奖牌上的阿尔弗雷德贝恩德哈特诺贝尔( 1833-1896 )。
诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学医学奖从1901年颁发以来，到今年正好是120年。 120年来，共有624人次获得诺贝尔科学奖，其中物理学奖216人，化学奖186人，生理学或医学奖222人。
在这120年间，美国有265人获奖，达到42.5%。
获奖数不到100人且超过20人的国家是英国( 94 )、德国( 94 )、法国( 22 )、日本( 22 )。
瑞士( 18岁)、瑞典( 15岁)、荷兰( 15岁)、俄罗斯( 10岁)、加拿大( 10岁)等国家获奖人数不到20人且超过10人。
获奖人数不足10人且超过5人的国家有奥地利(9)、丹麦(9)、澳大利亚( 10 )、意大利( 10 )、比利时( 10 ) )。
主要国家诺贝尔科学奖获得者人数
上表显示了1901年至2020年主要国家诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学和医学奖的获得者人数。
从三个领域的国别分布来看，诺贝尔物理学奖中，美国为92人，英国为28人，德国为25人。超过两位数的是法国为14人的化学奖中，美国为70人，英国为32人，德国为31人。生理学或医学奖中英国、德国、法国都是两位数，分别是34、17、11。
主要国家获得诺贝尔科学奖的人数
可见，美国获得诺贝尔科学奖的人遥遥领先，几乎是排名第二的英国的三倍。 此外，美国、英国、德国、法国、日本、瑞士、瑞典、荷兰、俄罗斯和加拿大10个国家获得了近90%的诺贝尔科学奖。
如果每10年统计一次这120年的获奖者数量，就会得到下图。
诺贝尔科学奖获得者人数的变动情况
从这张折线图中可以看出，诺贝尔科学奖的获奖者数量呈上升趋势，二战后各时间段的获奖者数量都高于战前各时间段。 逐年核对诺贝尔科学奖的授奖数据，二战前，一个奖项一般只颁发给一个人；二战后，两人或三人往往共享同一个奖项，各时间段的获奖人数明显高于战前。
这是“大科学”兴起的结果。 二战后，“大科学”兴起，科研学者激增，科研经费投入迅速增加，仪器、装备显著改善，诺奖级科学成果层出不穷。 诺奖级成果增多后，如果各奖项一年只授予一人，很多人就会失去获奖机会。每年增加几个人，可以在一定程度上缓解矛盾，但各奖项一年最多只能授予三人的规则不变。
以物理为例，100年前，世界物理学家只有1000名左右，现在世界物理学家有100多万人。 也就是说，在100年间，物理学家的数量约增加了1000倍。 随着科学家的增加，高质量的成果也会相应增加。 这样，做出杰出科学贡献的科学家等待诺贝尔科学奖颁发的时间就会越来越长。
诺贝尔科学奖获得者的平均年龄
进入21世纪以来，除诺贝尔生理学或医学奖获得者的平均年龄相近但还未满65岁外，诺贝尔物理学奖和化学奖获得者的平均年龄均超过65岁。
如果把诺贝尔科学奖获奖数按国家和年代分类处理，就会发现美国在二战前很普通，但二战爆发后美国的获奖数据迅速上升到两位数。
主要国家诺贝尔科学奖获奖数的年代分布情况
主要国家的诺贝尔科学奖获奖数量随年代变化
另一个现象值得注意。 在上图中，这条通常位于第二位的绿线显示了除美、英、德、法、日五国之外的所有国家的获奖总数。 如果忽视这条绿线，就会发现在20世纪前30年，德国的获奖数量一直占据首位，领先于世界上任何一个国家。 这是比较罕见的现象。
这条代表日本的蓝线，进入新世纪后，突然跳了出来，像井喷一样。 因此，很多人把日本这一阶段的获奖现象称为诺贝尔科学奖“井喷”。
通过以上考察，可以看出在诺贝尔科学奖一百二十奖颁发史上，出现了三大奇观：
1. 20世纪初期德国诺贝尔科学奖获得者人数独占鳌头
2 .二战结束后，美国诺贝尔科学奖获得者人数遥遥领先
3. 21世纪初期诺贝尔科学奖获得者人数井喷。
其次，聚焦诺贝尔科学奖百廿史的这三大奇观，主要围绕“诺奖与科教”进行宏观分析。
02
20世纪初德国为什么盛产诺贝尔科学奖获得者？
勃兰登堡门
德国的获奖者大部分都担任大学教授
1901年至1930年间，世界共有93人获得诺贝尔科学奖，其中德国28人，英国15人，法国13人。 德国的获奖数量正好是英国和法国的获奖数量之和。 这个时期，美国只有4人获奖。 这和很多人说的“20世纪是美国科学的世纪”有点不符。 20世纪前30年，德国的科学表现可以说比美国更为突出。
值得一提的是，20世纪初，德国诺贝尔科学奖获得者几乎都是大学教授。 而且，他们获奖的成果基本上是在德国大学取得的。 因此，讨论德国20世纪初诺贝尔科学奖的高产现象，不能不谈德国的高等教育。
18世纪德语区面临的大学危机
腓特烈二世宴请启蒙思想家伏尔泰
19世纪前，德国长期处于割据状态，各路诸侯和宗派出于培养人才和提高声望的需要设立了大学。 君主国都很小，财政收入有限，大学办学难以支撑，因此德语区的大学规模不大，办学水平也很低。 这必然引起民众的不满，从18世纪到19世纪的约20年间，20所大学被废除或合并。
18世纪末的大学危机中，出现了对大学改革的三种主张：
第一个主张是英国影响深远，保守主义色彩浓厚，认为教育的目的是通过运用传统的教育方法来传播具有正确信仰的知识。 因为这种观点在大学神学院有着广泛的市场，侧重于实际应用不利于保持神学在大学中的首要地位。
第二个主张受法国影响深远，功利主义色彩浓厚，提倡用对职业、邦国、教会有用的技能训练年轻人。 这种观点的倡导者多为政府官员、大学法学院和医学院的教授。
第三个主张坚持以人为本，既强调把人的思想感情从神学的束缚中解放出来，又反对强迫纪律、死记硬背。 我认为教育的目的是帮助个人潜能的发展和实现，“造就”有能力和品行的人。 这种主张大多来自新人文主义者。
在新人文主义的影响下，19世纪初，费希特、谢林、威廉冯博尔特等人相继提出了自己的大学改革构想。 这些构想为19世纪德国大学的改革和发展指明了航向。
柏林大学的创立
柏林大学的创立背景
789年，法国革命爆发。 普鲁士极端敌视法国革命，与俄罗斯、奥地利等合作对法国进行武装干涉。
拿破仑执政后，1803年出兵德国，毁灭了德国西南部的许多封建邦国。 1806年又向德国西部地区发动了攻击，将莱茵地区的德意志诸国编成了“莱茵同盟”。 1807年，拿破仑强迫普鲁士国王弗里德里希威廉三世放弃易北河以西的所有领土，普鲁士失去了著名的哈雷大学。
哈雷大学成立于1694年，是最早摆脱宗教束缚的大学之一。 拿破仑入侵期间，哈雷大学成为重要的抵抗运动中心。 因此，在法军占领了普鲁士的易北河地区后，拿破仑下令关闭了位于该地区的哈雷大学。
失去哈雷大学的教师们要求普鲁士国王在柏林重建大学。 国王因失去唯一的大学而痛心疾首，同意了他们的要求，任命威廉冯博尔特教育大臣于1809年着手建设柏林大学。
柏林洪堡大学校园里的威廉冯博尔特雕像
威廉冯博尔特创办柏林大学时，办学理念受到哲学家谢林的影响。 谢林于1803年在《关于学术研究方法的演讲》
大学的作用是追求真理教师必须指导学生探索真理和研究自然学者不仅要做学术研究而且要把他的方法传授给学生以便下一代能继续这个永恒的事业教育不能受到限制。
1810年10月，柏林大学在汉利希王子宫殿正式启用，由哲学家费希特担任首任校长。 这是德国高等教育发展史上的重要里程碑。
柏林大学的办学特色
威廉冯博尔特强调，德国的大学与法国综合理工学院和巴黎高等师范学校这样的大学不同，在管理和学术上应该保持自主性。 有三个意思：
1 .大学必须独立于国家的政府管理系统。 即“独立于所有国家的组织形式”
2 .大学必须独立于社会经济生活。 科学的目的是探索纯粹的学问和真理而不是满足实际的社会需要
3 .大学师生要甘于寂寞，不被任何琐事干扰，埋头于科学。
洪堡认为“自由”是教育的“首要且不可缺少的条件”，并大力提倡“教的自由”和“学的自由”。 在洪堡看来，大学不仅是知识的传播之地，也是知识的生产之地，因此强烈主张教育与研究相结合。 在此之前，无论是教会办的英国流大学，还是国家办的法国流大学，都不重视科学研究。
根据洪堡确立的独立自由、教育研究等办学原则，柏林大学将传统大学中的通识教育学院——哲学院扩展为与法学院和医学院比肩的专业教育学院，提升了哲学院在大学中的地位。
到目前为止，欧洲的大学基本上由四个学院组成：哲学院、神学院、法学院和医学院。 其中，哲学院主要负责基础教育，类似于现在的美国大学文理学院和日本大学的教养系。 神学院、法学院和医学院负责专业教育。 医学院主要培养治愈人体的专业人才法学院主要培养治理人类社会的专业人才神学院主要培养神职人员。
中世纪大学的组织结构
必须强调的是，当时的哲学概念非常广泛，自然哲学是其中的重要分支之一。 自然哲学不仅包括通过抽象地思考自然而获得的知识，还包括通过实证探索自然而获得的知识。 因此，柏林大学提高了哲学院的地位后，极大地促进了德国形而上学的发展和自然科学的进步。
此外，柏林大学开始实行讨论班教育和讲座制。 讨论班教育在当今研究型大学备受关注。 比起知识的传播，我更重视知识的生产或者知识的创造。 讲座制是德国大学特有的制度，一个学科只设一个教授，不像美国一样同一个学科也设很多教授。 而且在当时的德国，教授不退休，副教授就只能等，水平再高也升不了教授。 讲授制的优点是，一个人当教授，下面的人跟着他的兴趣做研究，容易形成学派，而且能保持很多研究的一贯、固定。
重视教师的研究业绩也是柏林大学的一大特色。 如果教师只从事知识的传授，不从事知识的创造，他就很难向学生解释清楚如何生产知识。 教师开展科研，不仅有助于了解和跟踪本领域发展的前沿，提高自身的探究能力，避免向学生传授陈旧落后的知识，而且有助于向学生传授研究的方法和探究精神，培养学生的创新能力。 因此，柏林大学的这一做法对德国创新人才的培养起到了很大的促进作用。
柏林大学的社会影响
柏林大学名家辈出，群星闪耀。
物理学家基尔霍夫、爱因斯坦、薛定谔、海森堡、波恩、化学家霍夫曼、拜耳、埃米尔费舍尔、德拜、能源之星、哈恩、生物学家魏尔啸、科赫、埃尔里希、伯恩
物理学家亥姆霍兹、赫兹、普朗克、卡尔费迪南德布朗、沃纳冯布朗、威廉维恩、马克思冯劳厄、詹姆斯弗兰克、迈克尔逊、化学家范托夫、哈弗、汉斯菲
导师马克思也在这里主修法律，而恩格斯是柏林大学的旁听生。
上述名单中有相当一部分人在二战前获得了诺贝尔科学奖。
坚持自主独立、倡导自由精神、重视研究成果的柏林大学诞生后，德国以柏林大学为范本，在相继创办新大学的同时，对一些旧大学进行了改建和扩建。 布雷斯劳大学、波恩大学、哥廷根大学、慕尼黑大学、海德堡大学、莱比锡大学等。
后来被评价为“没有柏林大学就没有辉煌的德国文明”。 甚至被称为“所有现代大学之母”、“研究型大学之鼻祖”。
李比希研究所的创立
李比希设立现代实验室
柏林大学的成功，有力地促进了自然科学教育的普及。 但是，当时各大学盛行的做法至少有两个缺点。
一是哲学院的地位有所提高，但自然科学的教学方法没有发生质的变化。 讲授自然科学的教授多为哲学家，重视思辨和自然哲学体系的构建，对实验兴趣不大，学生很难接受严格的科学训练。
二是民间实验室的传统仍在继续，即使能进行实验室教学，其规模也非常小，手段相当落后。
自1826年李比希在吉森大学设立化学实验室以来，这种情况有所改变。
李比希1820年进入波恩大学，1821年师从埃尔朗根大学学习化学，1822年通过论文《论雷酸汞的成分》获得博士学位。 他对这两所学校的学习感到不满，推荐他经过科学界泰斗亚历山大冯博尔特教授(威廉冯博尔特的弟弟)，进入法国著名化学家、物理学家盖吕克的实验室工作。
1824年，李比希回到德国成为吉森大学的化学助手，第二年22岁的他晋升为教授。
李比希在盖吕克的私人实验室做化学研究时，感受到了实验室的重要性。 当时的实验室很少，大多是私人实验室，只能容纳一两个学生和助手的学习和研究。 为了改变这种状况，李比希回到德国后加强了实验室建设和化学教学法的研究，使化学教学具有实验科学的特色。
1926年，李比希在吉森大学建立了完善的实验教学体系，其实验室可同时容纳22名学生进行实验，教室可120人听，讲台两侧配置各种实验设备和仪器，可进行各种演示实验。
李比希创立的现代实验室工作场景。 李比希创立于1926年的吉森实验室是世界上第一个系统地进行研究训练的化学实验室，可以说是现代实验室的原型。
李比希的实验教学法
李比希为实验室教学制定了新的教学大纲，规定学生在学习讲义的同时进行实验。 首先用已知化合物进行定性分析和定量分析，然后从天然物质中纯化鉴定新化合物，进行无机合成和有机合成； 学完本课程后，在导师的指导下进行独立研究，完成毕业论文； 论文只有通过审查才能获得博士学位。
在李比希的实验室里，师生一起工作，建立了新的师生关系。 它既不同于传统的“师傅带徒弟”模式，也不同于当时英国的“导师助手”形式。 导师和学生既是上下级关系，也是伙伴关系。 他们相互学习，共同研究； 互相质疑，共同讨论。
李比希的实验教学模式是一项重要的科研组织形式的发明。 它集中了人们的努力，带来了许多相互关系，但使个别研究者感到沮丧的问题得到了解决。 在这里研究者不一定要有一流的智力，二流的研究者也同样能取得难得的业绩。
除了教育改革，李比希还率先垂范科学研究，做出了许多重要的科学贡献。
1830年代前，李比希主修有机化学，40年代后主修农业化学和生物化学。 他曾对大量有机化合物进行了准确分析，改进了有机分析的一些方法，界定了大量化合物的化学式，发现了同分异构现象等。 李比希提倡植物必须有氮、磷、钾等基本元素，深入研究了提高土壤肥力的问题，被农业学界誉为“农业化学之父”。
另外，李比希创立了《化学和药学年鉴》，成功地吸引了有才能的德国年轻学生进行化学研究。 由于李比希的贡献，德国在有机物合成、结构理论等方面业绩非常好。
李比希研究所的影响
国内影响：以李比希实验室为蓝本，1833年约翰内斯穆勒在柏林大学设立了解剖生理实验室； 1836年，弗里德里希惠勒在哥廷根大学设立了化学实验室。 1852年罗伯特本在海德堡设立了化学实验室1865年路德维希在莱比锡大学设立了新的生理学实验室1875年冯特在莱比锡大学设立了心理学实验室。
德国大学在19世纪中期设立的实验室，可以说几乎都是模仿李比希的实验室。
国际影响：李比希实验室模式最初没有在德国之外发展。 但是他吸引了很多英国、法国和美国的年轻人去德国学习。 到1850年，李比希指导的外国留学生人数达到170人。 俄罗斯的奇宁、法国的吉拉尔、英国的威廉森等都是李比希的学生。
到了1900年，几乎没有化学家在英国获得德国博士学位。 物理、生物、生理、医学、数学也是如此。
包括大西洋彼岸的美国学者在内的海外学者纷纷来德国朝圣，德国科学界的“朋友圈”不断扩大，德国科学界的国际地位也大幅提高。
高等教育促进了德国工业的发展
威廉冯博尔特于1810年创立柏林大学，李比希于1826年创立吉森实验室是破天荒的壮举。 这些为德国高等教育的快速发展奠定了重要基础。
当时，以牛津、剑桥为代表的英国大学重视教养教育，以培养绅士风度的综合合理工学部、矿山学院为代表的法国大学重视应用教育，以培养工程师为目标。 德国许多大学都把探索自然、追求真理作为大学的核心使命，旨在培养仰望星空、能够独立开展学术研究的学者。 因此，德国大学培养了优秀的科技人才，取得了重要的科技成果。
如果德国的高等教育理念过于超前，德国工业界跟不上大学的前进步伐，德国将面临大学毕业生找不到出路，科技成果不能及时转化为应用的尴尬局面。 恰逢以纺织工业为先导的工业革命在当时欧洲兴起，德国工业界对科技人才和科技成果的需求不断增加。 如果德国的高等教育没有进一步发展，很难想象19世纪后半期德国工业会拉开与英国和法国的距离。
工业革命初期，纺织工业迅速发展。 当时，机器生产的布匹大多用发酵乳漂白，用植物汁染色。 这样的技术不仅不能满足生产的需要，而且不能保证产品的质量。 这为德国一些科学家特别是化学家发挥研究专长、发挥抱负提供了重要舞台。 事实上，这些科学家在实验室里摆弄的化合物，后来真正转化为工业染料，大大提高了德国纺织品的竞争力和附加值，德国纺织工业后来实现了弯道超车。
德国规则工业区的一角
德国纺织工业的迅速发展又带动了交通运输业、机械制造业及冶金工业的发展。 因此，与无机化学、有机合成化学、天然高分子化学一起发展的有金相学、炼钢技术、合金材料技术及机械加工技术等。
工业发展对理工科教育提出了新的要求
企业为了保护自己的市场，开拓新的市场，需要寻找新的染料来代替不再盈利的旧染料，努力提高生产效率和产品质量，需要不断增加研发投入。
在雇佣的化学家和大学化学家的协助下，巴斯夫和Hochst公司于20世纪60年代后期合成了对德国染料工业发展至关重要的茜素。 茜素的投产，在使企业深刻认识科研商业价值的同时，也为企业积累了巨大财富，为进一步支持科教研发创造了条件。
德国合成染料工业巨头
随着德国工业的崛起，德国高等教育受到工业需求的拉动，得到工商界的支持，取得了一系列新进展。 1860年以后，德国开始将实业学校改造成高等技术学校( Technische Hochschule )。 此后，在与高校的竞争中，亚琛、柏林、不伦瑞克、达姆施塔特、德累斯顿、汉诺威、卡尔斯鲁厄、慕尼黑、斯图加特等高等技术学校完善了自然科学类课程的教学，逐渐取得了与高校同等的地位
在工科大学的强烈要求下，1899年德国威廉皇帝亲自授予工科大学博士学位授予权( Dr.-Ing.)。 至此，德国理工学院获得了综合大学的全部特权。
当今德国综合大学一般不设工学部，工学技术人员的培养任务主要由工科大学和高等技术学校承担。
从下表中可以看出，这一时期德国理工科教育的规模扩大得相当迅速。
德国理工科高等教育团队的拓展
十九世纪后期科技人才和科技成果大量出现
综合大学和工科大学的发展，为德国培养了很多高素质的科技人才。
1830-1831年，德国哲学院在校学生人数仅占17.7%； 从1881年到1882年，在哲学院的学生人数上升到了40.3%。 1841年，哲学院的理科学生只有13.6%，而1881年哲学院理科学生所占比例迅速上升到37.1%。
1899年，德国大学在校学生3.3万人，其中工科大学学生1.1万人。
1900年，普鲁士在校大学生1.7万人，其中哲学院学生0.65万人，哲学院主修自然科学0.23万人。 工科大学学生人数达到0.52万人，剩下的0.5万人是法学院、神学院、医学院的学生。
理工科毕业生陆续进入社会后，进一步促进了德国产业的发展。
有研究表明，1899年德国产业界的化学专家数量达到4000人，其中从事染料相关工作的人占1/4。 英国1900年只有30-40名染料技术专家。
据英国学者统计，1900年前后，世界上2/3从事化学研究的科技专家在德国出生，1886~1890年间，德国取得了948项染料相关专利，而英国只取得了86项。
从柏林大学成立到第一次世界大战结束，德国拥有优秀科学家200人，重大科技成果达279项。 同期，英国拥有优秀科学家122人，重大科技成果174项；法国优秀科学家88人，重大科技成果107项。 无论是优秀的科学家数量，还是重大的科技成果数量，德国几乎都是英、法两国的总和。
英国、法国、德国、美国1800-1920年间取得的重要科技成果
德国在这个时期拥有这么多优秀的科学家和重大的科技成果确实与德国大学的科学教育有着密切的关系。 德国培养了这么多优秀的科学家，取得了这么多重大的科技成果，也就不难理解20世纪30年前获得了那么多诺贝尔科学奖。
03
战后美国诺贝尔科学奖获得者人数为什么遥遥领先呢？
1620年开往北美的英国五月花号帆船
从20世纪30年代开始，美国的诺奖获奖数量位居世界第一
如果按国家和年代对诺贝尔科学奖获得者人数进行统计处理，就会发现二战以前美国的整体业绩很普遍。 但1931年至1940年间，美国诺贝尔科学奖获得者人数迅速上升至9人，同期德国获奖者只有8人，英国获奖者只有7人。 美国只比德国多一个人，但这是历史性的超越。 此后，美国诺贝尔科学奖获奖数量一直位居世界第一。
从1941年到1950年，美国的诺贝尔科学奖获奖数首次达到两位数。在20世纪50年代和60年代，美国的诺贝尔科学奖获奖数从2开始，但进入70年代就有30多人。
美国诺贝尔科学奖获得者(包括毕业生和职员)超过20人的大学达到19所，其排名如下。
1 .哈佛大学113人
2 .加州大学伯克利分校82人
3 .加州理工学院70人
4 .哥伦比亚大学69人
5 .麻省理工学院62人
6 .芝加哥大学62人
7 .斯坦福大学55人
8 .康奈尔大学50人
9 .普林斯顿大学42人
10 .洛克菲勒大学38人
11 .耶鲁大学34人
12 .霍普金斯大学30人
13 .伊利诺伊大学香槟分校27人
14 .宾夕法尼亚大学25人
15 .加州大学圣地亚哥分校25人
16 .圣路易斯华盛顿大学24人
17 .威斯康星大学麦迪逊分校23人
18 .纽约大学20人
19 .卡内基梅隆大学20人。
简而言之，美国的诺贝尔科学奖获得者人数在二战前很普通，但二战爆发后，获奖者人数迅速增加，独领风骚。 其中著名大学的诺贝尔科学奖获得者人数表现突出。 当然，美国许多科学家获得诺贝尔科学奖，受到高等教育改革和发展的深刻影响。
殖民地时期的英式素养教育
1776年7月4日，费城自由钟响起，美国独立。
在此之前，北美长期处于欧洲的殖民统治之下。 在这个时期，欧洲人乘帆船漂洋过海来到美国通常需要两个月左右，但冒险家们历尽千辛万苦克服了许多困难来到了北美。 当时把孩子从北美送回欧洲接受高等教育非常不方便，为了解决孩子的教育问题，北美大地上相继成立了私立学院。
殖民地时期在北美设立的学院主要有哈佛学院( 1636年)、威廉玛丽学院)、耶鲁学院( 1701年)、新泽西学院)、普林斯顿大学前身( 1746年)、国王学院)、哥伦比亚大学前身1755年)，罗德学院)即初期成立的这些大学，可见集中在人口相对较多的美国东部。
哈佛大学一角
这些学院是模仿英国牛津大学和剑桥大学设立的，所以重视素养教育，目的是培养绅士人才。 当时，牛顿已经在英国很受欢迎，皇家学会的声誉与日俱增，但在北美的这些学院，科学教育还没有得到必要的位置，关于工程技术教育，他未能登上大雅之堂。
事实上，哈佛于1847年开办了劳伦斯科学学校，耶鲁于1854年开办了谢菲尔德科学学校。 这些科学学校的成立是因为它们绕开了大学主流教育项目的羁绊，开辟了自己的道路。 耶鲁大学最初在美国开设博士课程，但从南北战争爆发到1861年才开始授予博士学位。 可以说美国高中的科学教育比德国落后很多。
南北战争爆发后的法式应用教育
19世纪中期美国人口的增长和工业化的发展
美国独立正好赶上了第一次工业革命的浪潮，但建国后的头半个多世纪，美国人口增长非常缓慢，生产力没有欧洲那样突飞猛进。 主要原因是，采用蒸汽动力的明轮船只适合在内河和近海航行，不适合海浪高的风突然横渡大西洋。 这个时期，横渡大西洋仍然主要依靠风力，即使不遇到逆风，帆船也在大洋上流浪了一个多月。 欧洲人并不是被强迫，他们不会乘帆船移居北美。 此外，使用200吨木质帆船将蒸汽机等大型机械设备从欧洲运往美国也非常困难。 因此，第一次工业革命的浪潮到19世纪中期在美国广泛蔓延。
1807年克莱蒙发明了轮船
1939年瑞典工程师约翰埃里克森和英国工程师弗朗西斯史密斯发明了水下螺旋推进器。 史密斯的螺旋推进器很像阿基米德的螺旋取水器，埃里克森的螺旋推进器很像今天的电风扇。
1843年英国“莱特勒”号军舰首次用螺旋桨代替了明轮。 同年，美国海军也建造了螺旋桨船“浦林西登”号。
英、美等国在20世纪40年代成功建造了螺旋桨船，但使用螺旋桨推进船舶还需要解决螺旋桨轴的密封、轴承的磨损、船舶的振动等诸多课题。 因此，进入20世纪50年代后螺旋桨逐渐取代明轮成为主流。
860年英国的“地球东部”号首次到达纽约
使用螺旋桨推进船舶解决客船快速、安全运输问题后，土地辽阔、资源丰富的美国陆续吸引了欧洲移民。 人口的快速增长为美国工业化的发展提供了强大的动能。 有研究表明，1830年美国的城市人口不到10%，1860年的数字接近20%。
劳动密集型和资本密集型工厂在城市的发展，一方面削弱了家庭生产的经济地位，一方面促进了产业分工，产生了对技术进步意义非同一般的部门——装备制造业。 装备制造业的诞生和发展，减轻了相关企业自行设计装备和技术的负担，促进了制造业发展所需技术的积累和创新。
许多企业开展生产所需的机械设备由自行设计制造转向依靠相对独立的装备厂家完成，有效促进了设备生产的标准化和规范化，产生了“美国制造体系”。
“美国制造体系”最早由英国学者提出。 1851年在伦敦举行的水晶宫世界博览会上，美国的科氏力缝纫机、胜家缝纫机、麦克漫画收割机等产品大受欢迎。 这些体现出的机械零部件标准化、互换性和高效大量生产的特点，给欧洲老牌工业国留下了深刻的印象。
胜家缝纫机的大量生产
“美国制造系统”在一定程度上摆脱了对方工业者技能的依赖，降低了零部件制造和安装过程中的劳动成本，大大提高了劳动生产率。
19世纪中叶以后，在装备制造业的带动下，“美国制造体系”很快扩展到几乎所有的美国工业活动中，极大地促进了美国工业化的发展。
南北战争爆发后兴起的捐赠地学院
人口的快速增长要求社会及时扩大高等教育规模工业化和西进运动的迅速发展要求高等教育机构及时调整教育方案，大幅度增加与机械制造乃至农业生产有关的教育内容。 南北战争爆发后，美国人才和技术供应不足的矛盾更加突出。
南北战争期间( 1861-1865 )，联邦政府为了支持代价高昂的战争，于1862年和1864年两度提高关税税率，1865年关税平均税率上升到47%。 由于关税税率的提高，联邦政府的海关收入从每年不到4千万美元( 1861年)迅速上升到1亿美元以上( 1864年)。
关税税率的提高本来只是为了筹措赢得战争所需的资金，但战争结束后，为了治愈战争的创伤，为了稳定财政收入，回应贸易保护主义的诉求，联邦政府只是取消了暂时的国内税收，关税税率无法恢复到战前的水平
限制进口、扩大出口，需要恢复农业生产，大力发展生产力。 这意味着要么增加劳动量投入，要么提高劳动生产率，当然最好双管齐下。 由于战争期间人口损失严重，移民增长放缓，增加劳动量的投入受到制约，只能设法提高劳动生产率。
提高劳动生产率的途径主要有两种，一是发展教育，提高工人技能和素质，二是鼓励技术创新，发展机械化大生产。 这就要求美国社会大力支持应用类高等教育的发展。 著名的《莫里尔法案》(Morrillact )在这个大背景下获准通过，并得到了积极的执行。
《莫里尔法案》，又称《赠地学院法案》 ( theland-grantcollegeact )，于南北战争爆发的1962年通过。 《莫里尔法案》规定：国会向效忠州的所有参议员和议员捐赠联邦公共土地3万英亩，各州可将这些土地或其交易所得用于支持农工学院的开设。 这些学院必须教授农业、机械制造技术的相关知识，培养农业发展所需的专家。 《莫里尔法案》实施后，28个州单独设立了农工学院，即“赠地学院”，其馀州将土地划拨给现有州立学院开办州立大学，或在现有州立大学内增设“赠地学院”。
《莫里尔法案》在美国高等教育史上处于特殊的地位。 实用方向明确的美国高中应运而生。 在美国建设了伊利诺伊大学、威斯康星大学、加利福尼亚大学、麻省理工大学( 1865 )、康奈尔大学( 1868 )、普渡大学( 1869 )等共计69所“捐赠地学院”。 很多有名的州立大学都是以此为契机发展起来的。
《莫里尔法案》催生的捐赠地学院之一：麻省理工学院
以18世纪末问世的综合合理工学部等法国流大学为范本创建的“捐赠地学院”实用主义色彩非常浓厚，与重视素养教育的英国流教会大学明显不同，也与以探索真理为使命的德国流综合大学不同。 “赐地学院”的诞生和发展，确立了农业和工业等应用类学科的教学和研究在美国高等院校的地位，打破了美国联邦政府不拘教学的传统，促进了美国高等教育的民主化和大众化。
第二次工业革命时期的研究生教育
第二次工业革命对美国的冲击
1858年，由塞勒斯韦斯特菲尔德( Cyrus West Field )等人创办的大西洋电报公司完成了横贯大西洋的第一条电报电缆的铺设。 但是，这条电缆在三周后坏了，直到南北战争结束才重新连接。
南北战争结束后的第二年，即1866年，菲尔德利用新建成的“大东”号轮船，再次铺设了更耐用的跨大西洋电报电缆。 使用科学家汤姆森发明的镜式检流计，通过跨大西洋电报电缆传输时，能够准确读取衰减1000倍的信号。
横贯大西洋的电报电缆的开通使美国和欧洲之间的即时通讯成为可能，世界变得更小了。
1866年，德国工程师西门子发明了自激式直流发电机，1867年向柏林科学院提交了论文—— 《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》。 这为建设大容量电机，获得强大的电力，提供了技术可行性。 从此，人类进入了以电动力为标志的第二次工业革命时代。
1869年，德国化学家海因里希卡罗又向人们展示了化学的威力。 他发现了人工合成茜素的方法，使传统行业没落——在此之前，成千上万的人以提取茜素这样的天然红色染料为谋生手段。
1870年前后，德国物理学家恩斯特阿贝发明了新型光学器件——显微镜聚光镜。 使用该聚光镜的显微镜可以更清晰地观察微生物的世界，使德国的细菌学乃至医学研究走在了世界的前列。
1876年，德国工程师尼古拉斯奥托开发了以煤气和汽油为燃料的四冲程内燃机。 内燃机的出现克服了蒸汽机的许多弊端。 如动力不够、体积过大、噪音过大等。 在此基础上，德国人卡尔奔驰于1885年首次成功开发出了由内燃机驱动的汽车。 内燃机的发明，推动了石油开采业和石油化工的发展。
德国在科技领域取得的这些新成果通过刚刚使用的跨大西洋电报电缆传播到美国后引起了美国社会的广泛关注。 许多对英国式素养教育和法式应用教育表示不满的美国青年开始到柏林、哥廷根、慕尼黑、海德堡、莱比锡等德国研究型大学留学。
在这样的背景下，创建像德国这样致力于纯粹科学研究的研究型大学成为时代的呼声。
设立研究生院的研究型大学诞生
在美国社会的号召下，一些有识之士开始试图将德国的研究型大学制度移植到美国。 但美国并没有轻易模仿德国研究型大学的做法，而是走上了通过在大学设置研究生院培养高质量创新型人才的新路。
以柏林大学为首的德国研究型大学成立时，科学知识还没有发生大爆炸，学生们在进入大学之前，基本上可以学习到研讨会的科学知识。 这样，大学应该比科学知识的传播更重视科学知识的生产。 但是在许多德国现代大学的推动下，19世纪的科学越来越专业化，青年学子在从事科学知识生产之前应该学习的科学知识越来越多。 到了19世纪后半期，在中学阶段学习完重要的科学知识是不可能的。 也就是说，此时也像德国初期成立的研究型大学那样，要求学生一入学就立即着手知识生产是不现实的。
19世纪后半叶，美国有识之士移植德国研究型大学制度时，实际上意识到了这个问题的存在。 因此，他们没有照搬照抄，而是继承和创新。 具体来说，将大学学习生活分为本科生和研究生两个阶段。 本科生阶段学习知识很重要，研究生阶段生产知识很重要。 可见，本科生阶段与中学生阶段没有本质区别，主要任务都是开展通识教育，学习现有知识，提高自身素养，为进入研究生阶段从事知识生产做准备。 最近，“内卷”这个词非常流行。 其实100年前，教育“内卷”在美国就已经发生了。
最早在美国诞生的研究型大学是1876年创立的约翰霍普金斯大学。
曾担任霍普金斯大学首任校长的吉尔曼( Daniel Coit Gilman，1831—1908 )从耶鲁大学毕业后，在访问欧洲期间曾在柏林大学留过一段时间( 1854-1855 )。 1875年去霍普金斯大学担任校长之前，吉尔曼曾在耶鲁大学谢菲尔德科学学校担任地理学教授，并在加州大学伯克利分校担任过三年校长。 1901年，吉尔曼卸任霍普金斯大学校长。
吉尔曼去德国留学过。 霍普金斯大学被称为“设在美国的德国大学”，这无疑与吉尔曼受到德国现代大学办学理念的影响有很大的关系。
吉尔曼认为，科学研究不仅是大学的基本任务，也是大学的灵魂。 为此，他在霍普金斯大学设立了研究生院，重点是研究生教育。 为了提高研究生教育质量，他强调要狠抓本科生教育，本科生教育与研究生教育相衔接能有效促进学校科研发展，为社会进一步提供高素质人才。
创办之初，霍普金斯大学只招收研究生54名，本科生23名。 创办10年、20年后，研究生招生扩大到184人、406人，本科生招生扩大到96人、149人。 在初期招收的1499名本科生中，有383人接受了研究生教育，其中84人获得了博士学位。 可见，吉尔曼负责的霍普金斯大学高度重视研究型人才的培养，本科生升学率和研究生博士学位获取率受到严格控制。
因为实行的是精英教育，所以每个学生都接受了严格的学术训练，进入社会后，可以和从德国回来的留学生进行同样的比赛。 研究表明，霍普金斯大学20岁时，全美60所主要大学中，每所大学至少有3名教授毕业于霍普金斯大学，其中哥伦比亚大学13人，哈佛大学10人，威斯康星大学19人。 当时，一所大学总共只有几十名在籍教授。
约翰霍普金斯大学
在约翰霍普金斯大学的示范下，克拉克大学、芝加哥大学等新的现代大学相继成立。 哈佛、耶鲁、哥伦比亚、普林斯顿等老牌学院也通过增设研究生院和专科学院，强化了大学的科研功能，顺利过渡到研究型大学。
越来越多的企业进入科学研究
十九世纪八、九十年代，美国青年留学德国达到高潮。 这些留学生从德国回到美国后，正好赶上了研究型大学的发展大潮。 因此，他们很容易在新成立的研究型大学里找到自己的位置。 他们回国执教解决了大学师资短缺的难题，同时也把德国最先进的学术思想带到了美国大学。 在他们的推动下，美国研究型大学在有机化学、物理化学、电磁学、天体物理学、细菌学、实验生理学等前沿研究领域迅速跃居世界前列。
随着研究型大学的迅速发展，美国研究生入学人数开始急剧增加。 即使美国大学的数量和规模还在膨胀，大学能接收的博士毕业生数量也非常有限。 问题是，这些博士生大多只擅长科研，特别是纯科研，就业范围非常狭窄。 如果很多博士毕业生在大学之外找不到合适的职位将会影响美国研究型大学的发展。
可喜的是，第二次工业革命加速了美国企业的兼并重组，美国在世纪转型期诞生了美国电话电报公司( ATT )、通用电气公司)等超大型垄断企业，这些企业为了提高竞争力在企业内部设立了研究所。
1925年美国电报电话公司成立贝尔电话实验室
在美国，1890年只有4家企业设立了研究所；1900年，约50家企业设立了研究所；1910年，约180家企业设立了研究所；1920年，这个数字超过了500； 1930年，又突破了1000。 但企业研究所的规模有大有小。 美国电报电话公司1925年设立的贝尔电话实验室员工人数达到3600人，迄今为止通用公司设立的研究室员工人数接近2000人。
初期，美国企业研究所与德国情况相似，主要集中在化学和电气行业。 这些是国际竞争非常激烈的行业，也是科研和产品开发密切相关的行业。 许多企业研究所需要将主要资源投入到现有产品和制造技术改良的应用研究中，但一些企业研究所特别是大型企业的研究所在开展应用研究的同时，也尝试了与现有产品和制造技术相关性不大的应用基础研究，甚至纯粹的科学探索。 因此，为了充实研发团队，有必要随时吸纳研究型大学的毕业生。
1901年成立的总部设在纽约洛克菲勒医学研究所
美国的一些大型企业除了成立企业研究所外，还成立了基金会，为支持科学研究而捐款。 卡内基、洛克菲勒、哈密瓜、福特等基金会都是在这个时期成立的。 中国人对洛克菲勒基金会很了解。 因为该基金会不仅捐资创办了洛克菲勒医学研究所，还创办了北京协和医学院。 洛克菲勒医学研究所在微生物学和病理学等研究领域取得了许多重要的研究突破，并发展成为洛克菲勒大学。 该所首任所长西蒙弗雷克斯纳( Simon Flexner，1863-1946 )是霍普金斯大学医学院首任院长威廉韦尔奇( William H. Welch，1850-1934 )的学生，曾任霍普金斯大学病理学教授1913年，梅隆基金也支持成立梅隆工业研究所，1967年与卡内基学院合并成立了卡内基梅隆大学。
企业设立或支持的研究机构的发展，不仅提高了企业自身的科技创新能力，而且为扩大美国研究型大学的办学规模，提高研究型大学办学质量创造了条件。
也就是说，20世纪初的美国，大学与企业的联系进一步加强，博士生加入企业，大学教师兼任企业研发顾问，企业支持大学教师开展科研，兴办科研机构已成为常态，麻省理工学院是否优先开展科研随着以科学为基础的产业的发展，产业对科研的渗透越来越深。 但从结果来看，这种发展恰恰是促进的，并没有阻碍美国纯粹科学研究的发展。 没有企业的支持，美国不可能取得那么多诺奖级的研究突破。
很多欧洲流亡科学家要去美国
第一次世界大战爆发后，由于欧洲政局动荡，希特勒推行文化清洗政策，许多高级知识分子开始到美国避难，美国轻而易举地获得了来自欧洲的科技人员。 美国大学体制的多样性和高等教育事业的迅速发展使美国得以留住这些欧洲流亡科学家。 欧洲流亡科学家的参与大大增加了美国的科技实力。
犹太知识难民集中抵达美国的1933年至1941年间，仅来自德国、内地的犹太知识难民就达7622人，其中1090人为科学家，大部分(约700多人)为教授。 此外，还有2352名医生、645名工程师、811名法律工作者、682名记者、465名音乐家、296名造型艺术家和1281名来自其他文化领域的职业人员。 这意味着被德、奥两国社会驱逐的约12000名文化精英中至少有63.3%被美国接收，约1400名流亡科学家中至少有77%被美国接收。
接收成千上万的流亡科学家对美国来说意味着什么？ 让我们来看看诺贝尔科学奖获得者的统计数据。
1933年以前，美国有五位诺奖获得者，只剩下三位幸存者。 德国有31名诺奖获得者，但幸存者仍有19人。 但是，仅从1933年开始的德国科学家的流亡浪潮，以爱因斯坦为首的6名诺奖获奖者和之后的11名新获奖者就被送往了美国。 截止到1945年，德国1933年以前的诺奖获奖者中，幸存者只有9名，加上新增加的5名，总数为14名。 1933年以前，美国诺奖获得者中只有7名幸存者，但以流亡科学家为代表的欧洲新生科学力量的加入，迅速新增18名，总数达到25名，远远超过德国，成为诺贝尔科学奖获得者最多的国家。
这25人中，不包括1945年以后在美国获得诺奖的流亡科学家，也不包括随父母到美国后完成学业，之后获得诺奖的第二代流亡者。
流亡美国的科学家爱因斯坦( 1879-1955 )。
欧洲流亡科学家的涌入不仅将美国的科研水平迅速推向世界前沿，也为美国大学获得世界一流地位奠定了基础。 目前，美国诺贝尔科学奖获得者共计265名，可以说这与欧洲流亡科学家在美国开拓新方向，从而在美国高校营造的良好学术氛围有一定关联。
政府主导着战时军需产业的研究
二战爆发之初，美国不打算参战。 一是因为国内孤立主义盛行；二是军事准备不足。 对美国来说，参战的话，必须抑制大西洋和太平洋的制海权和制空权。 如果不这样做，就无法将将军和物资安全运送到欧洲战场或亚洲战场。 当时，德国飞机和u型潜艇不时出没于大西洋，日本航母经常在太平洋上游弋。 因此，必须在军事技术开发上取得突破，找到远程探测德国飞机、潜艇和日本航母的方法，美国才能宣布参战。
随着战争规模不断扩大，美国一些有识之士意识到有必要未雨绸缪，做好参战准备。1940年6月22日，法国投降。根据麻省理工学院副校长、总统科技顾问万尼瓦尔布什（Vannevar Bush）的建议，美国总统罗斯福于当月27日下令正式成立“国防研究委员会”（NDRC）。
国防研究委员会直接对美国总统负责， 所需经费直接从总统控制的紧急基金中拨付。其主任由布什担任，成员还包括麻省理工学院校长康普顿（Karl Taylor Compton），哈佛大学校长科南特（James Bryant Conant），首任贝尔电话实验室主任、美国国家科学院主席朱伊特（Frank Baldwin Jewett），加州理工学院的教授理托勒曼（Richard Chace Tolman）。此外，还有来自海军与陆军的代表各一位。
国防研究委员会成立伊始就对陆、海军的研究活动进行了全面考察，并着手编写了技术工作清单， 内容包括海、陆军尚未取得进展的研究工作，以及一旦美国放弃中立，军方必须立即从事的研究项目等。同时，该委员会还与775所大学、企业研究所以及非营利机构联系， 把可能获得的科研人才、设施资料， 已取得的技术进展等登记造册。
战时担任科学研究与开发局局长的万尼瓦尔布什（1890-1974）
1940年9月7日，德国对英国首都伦敦实施了大规模轰炸。英国航空研究委员会主席亨利蒂泽德爵士（Henry Tizard）紧急访美，并给美国带来了一份珍贵礼物——能够发射微波脉冲的“共振腔磁控管”。布什与蒂泽德进行
多次接触后，美国国防研究委员会于1940年10月决定在麻省理工学院校园里设立 “辐射实验室”，启动 “雷达工程”。
“辐射实验室” 完全由科学家负责运营。国防研究委员会通过签订合同的方式将研究任务赋予实验室后，便不再插手实验室的管理活动。到战争结束时，“辐射实验室” 员工数发展至3897名，其中科学家及工程师占30%。当时美国的一流物理学家中有一半在为其效力。
实际上，国防研究委员并没有行政权力和预算资金来直接推进科学研究，因此，罗斯福于1941年6月28日发布第8807号行政命令，决定成立美国科学研究与开发局（OSRD），由布什担任局长，直接对罗斯福总统负责。科学研究与开发局拥有调动多种资源的能力，加上该局局长和国防研究委员会主任都由布什担任，所以国防研究委员会此前的角色事实上被科学研究与开发局取代了。
国防研究委员会成立之初，早先设立的铀矿顾问委员会便被置于国防研究委员会管辖之下。科学研究与开发局成立后，该委员会被改组为S-1部门。1941年10月9日，布什向总统罗斯福、副总统华莱士汇报原子弹相关项目时，介绍了英国的 “合金管工程” 以及英国莫德委员会的一份报告。该报告指出以铀或者钚为原料的炸弹有可能在两年内研制成功。在布什的建议下，罗斯福决定加快研制原子弹的速度，并组建一个高层决策小组负责此事，成员包括罗斯福、华莱士、布什、科南特、史汀生（国防部长）以及马歇尔（参谋总长）。
1941年12月7日，日本海军偷袭珍珠港。随后美国宣布参战。为了抢在德国和日本之前研制出原子弹，美国于1942年6月启动 “曼哈顿工程”，将原子弹的研发和生产交给军队统一管理。
“曼哈顿工程” 不仅造出了原子弹,还留下了14亿美元的财产，包括一个具有9千人的洛斯阿拉莫斯核武器实验室；一个具有3.6万人、价值9亿美元的橡树岭铀材料生产工厂和附带的一个实验室；一个具有1.7万人、价值3亿多美元的汉福特钚材料生产工厂，以及分布在伯克利和芝加哥等地的实验室。
战时成立的麻省理工学院辐射实验室（林肯实验室）、芝加哥大学冶金实验室（阿贡国家实验室）、洛斯阿拉莫斯核武器实验室（洛斯阿拉莫斯国家实验室）无疑取得了巨大的成功。它不仅为官产学合作开展科技创新积累了经验，也为美国战后开展 “大科学” 研究铺平了道路。
战时美国国防研究委员会、科学研究与开发局给大学提供了大量的科研资助。这些科研资助使美国大学的科研经费比战前有了大幅度的提升。1938年，美国大学用于自然科学研究的总经费约为2800万美元；1944年，仅科学研究与开发局与大学签订的合同总额就高达9000万美元，而科学研究与开发局只是能签订这样合同的几个政府机构之一。在政府机构的资助下，美国大学在战时的科学研究中取得了一系列重大突破，不仅为打赢战争做出了重要的贡献，也为美国大学在全球的崛起奠定了坚实的基础。
战后 “大科学” 急速兴起
据有关资料显示，二战之前，美国的研发经费占国民生产总值之比，亦即研发投入强度很低，1930年仅为0.2%，1940年为0.3%，这些研发经费都是以民间投入为主，因此10年只增加了0.1个百分点。但是到了1945年，美国的研发投入强度上升到0.7%。在短短5年里就增加了0.4个百分点。这主要是联邦政府加大了与军事有关的研发经费投入导致的结果。
二战结束后，百废待兴，政府很难再像战时那样继续支持军事科学技术的发展。这意味着战时建立的很多科研机构必须关闭或缩小规模，很多优秀科学家将会下岗。而这一切都不是战时身兼国防研究委员会主任和科学研究与开发局局长二职的万尼瓦尔布什所乐见的。
1945年，布什牵头起草了一份题为《科学——无止境的前沿：给总统的关于战后的科研计划》的报告。在这份提交给罗斯福总统的报告中，布什强调了基础研究对促进技术创新和经济增长的重要价值，论证了联邦政府使用国民税金支持科研人员从事基础研究的正当性。但是，布什的报告并没有解决联邦政府资助技术开发的正当性问题。在强调自由竞争、市场调节的美国，政府动用国民税金资助只能惠及部分行业和企业的技术开发是不能被接受的。
布什宣称，基础研究与经济增长之间存在着这样的一种线性关系：基础研究→新概念、新原理→新成品、新工艺→新产业→经济增长。也就是说，经济增长的源头在基础研究，社会可以通过增加基础研究投入来实现经济增长，从而获得相应的回报。为此，他提议由政府出资成立一个由科学共同体自行管理的科学基金组织以促进基础科学的自主发展。
但是，布什站在科学家一侧提出的政策诉求并未赢得民众的广泛支持。不少人认为即使资助基础研究有助于促进经济增长，增进公共福祉，政府也不应把国民税金直接交给科学共同体自行管理使用，何况政府资助基础研究是否能够获得应有的回报还需要接受时间的检验。
经过长达五年的争论，美国国会于1950年通过了国家科学基金会法案。美国国家科学基金会成立之初掌控的经费非常有限，即便加上国立卫生研究院（NIH）、原子能委员会和海军研究办公室等机构支付的用于支持基础研究的经费，也不算多。当时，美国全社会的研发经费投入强度也只有1%，虽比1945年高出了0.3个百分点，但不到1960年的一半。这表明布什的有必要持续大规模地资助基础研究的理念，在上个世纪50年代初的美国仍只获得了有限的认同。
美国政府对基础研究的投入，是在前苏联于1957年将世界上第一颗人造卫星送上太空之后才出现显著增长的。本来，前苏联率先将人造卫星送上太空只表明美国在宇航技术开发领域确实落后了，但是科学家们异口同声地表示此乃美国基础研究整体落后于前苏联酿成的苦果。当《苏联又领先了》之类新闻报道一次又一次地出现在媒体上时，美国的决策者们再也沉不住气了。他们意识到如不尊重科学家们的意见，显著加大基础研究的投入力度，美国极有可能在两种制度的竞争中遭受惨败。此时，政府资助基础研究，已不只是能在多大程度上促进经济增长层面上的问题了，而是事涉美国国家威信及其社会制度是否具有优越性的问题。
于是，美国政府决定迅速在国防部内设置高等计划研究局（DARP），并将国家航空咨询委员会改组成国家航空和航天局（NASA）。恰巧纳尔逊（Richard R. Nelson）此间从市场失灵论的视角，论证了企业不愿深度支持基础研究的必然性，从而为美国政府持续加大基础研究投入提供了理论依据。
1959年，以西博格（Glenn Theodore Seaborg）为首的美国总统科学咨询委员会给艾森豪威尔总统提交了一份报告。在这份报告中，西博格等人建议联邦政府大幅追加基础研究和科学教育投入，以迅速提升美国的科技竞争力。艾森豪威尔总统接受了这一建议。1960年参加总统竞选的肯尼迪甚至以这份报告为依据将加大基础研究和科学教育投入列入竞选公约。
1958至1968年间，美国政府的研发经费投入占全社会研发经费投入的比重始终高于60%。其间，主要用于资助基础研究的国家科学基金和国立卫生研究院的经费分别扩大了8倍和5倍，而主要用于资助技术开发的国防部、原子能委员会的研发经费同期只扩大了2倍。
一般认为，前苏联卫星发射升空后的十年乃美国基础研究的黄金时代。在此期间，科学家们只要能提出一个有点说服力的研究计划，就有可能获得政府资助。一些令人感到不可思议的计划，如莫霍面计划（地幔钻探计划）、奥兹玛计划（搜寻地外文明计划）都在这一时期获得了大量的资金援助。对于一些企业开展的基础研究，政府同样给予了资金支援。这样做的目的只有一个，就是在基础研究领域全面超越苏联。
美国宇航员乘阿波罗宇宙飞船成功登月
这种群体歇斯底里的行为导致的结果是，阿波罗宇宙飞船登上了月球，航天飞机飞上了太空，研究生培养环境得到了大幅改善，诺贝尔奖级研究突破不断涌现。
此外，战前科技移民的杰出贡献也鼓舞了美国联邦政府。战后，美国开始通过实施高等教育国际化来网罗国际高端科技人才。为了推进这一战略，联邦政府出台了一系列法案，如1946年的《富布赖特法案》、1948年的《信息与交流法》和1956年的《交换学者与移民地位法》。这些法案资助美国高校师生参与国际交流，资助在美国学习的留学生，鼓励外国学者到美国进行访问和研究，并为他们居留美国提供便利。
要而言之，二战后，联邦政府的研发经费支持和科技移民的知识支援使美国高等教育迅速拉开了与世界各国的距离。上个世纪七十年代爆发的两次石油危机，不仅没有缩小，反而进一步加大了美国高等教育与世界各国之间的差距。在这种形势下，战后，美国学者获诺贝尔科学奖的人数遥遥领先于其他国家乃是一种必然。
04
新世纪日本诺贝尔科学奖获奖人数何以出现井喷？
奔向美国的日本咸临丸号
日本进入新世纪后已有19人获得诺贝尔科学奖
日本获颁诺贝尔科学奖的人数现已攀升至24人，其中19人是在进入21世纪后获奖的。尽管南部阳一郎和中村修二获奖时已加入美国籍，但他们的获奖成果都是在加入美国籍之前做出的。
日本新世纪19名诺贝尔科学奖得主中，获物理学奖的有8人，获化学奖的有7人，另外4人获的是生理学或医学奖。
19名获奖者中，出生在二战结束之前的有13人。其中出生在1926-1935年间和1936-1945年间的各占6人，还有1人是南部阳一郎，他出生于1921年。战后出生的6人中，有2人出生于1946-1955年间，另外4人则出生于1956-1965年间。
要而言之，日本新世纪诺贝尔科学奖得主中，三分之二以上出生在战败前。
日本新世纪诺贝尔科学奖得主出生年代分布图
日本新世纪19名诺贝尔科学奖得主的平均获奖年龄为69岁，做出获奖奠基性成果的平均年龄为41岁，两者之间的时间差为28年。
19名获奖者中，有16人的获奖奠基性成果是在上个世纪七、八、九十年代做出的。其中，有7人的获奖成果是在1970年代做出的，在1980年代做出获奖成果的有5人，在1990年代做出获奖成果的有4人。剩余3人中，南部阳一郎和下村修的获奖成果是在1960年代做出的，而且都是在美国工作期间做出的；还有1人是山中伸弥，他的获奖成果是在21世纪初做出的。
简言之，八成以上的日本新世纪诺贝尔科学奖得主都是在上个世纪最后30年间做出获奖奠基性成果的。
诺奖成果的产生年代分布情况
除去南部阳一郎和下村修，所有的日本新世纪诺贝尔科学奖得主都是在战后接受高等教育甚至是高中教育的；而且，所有的日本新世纪诺贝尔科学奖得主都是在日本国内完成大学本科或专科学业的。
其中，在东京大学、京都大学、名古屋大学读本科或取得博士学位的人数最多，均在4人以上。在由原帝国大学改造而成的七所日本国立综合大学中，除九州大学外，都至少培养出了1名诺贝尔科学奖获得者。在日本私立大学就读过的只有大村智一人。
要而言之，日本新世纪19名诺贝尔科学奖得主中，绝大多数出生在二战结束前；他们几乎都是在1945年日本宣布投降后进入国立或公立大学读书的；而且大多是在1964年日本举办东京奥运会前后进入顶尖国立综合大学研究生院学习的；1972年日本的GDP超越西德，成为仅次于美国的世界第二大经济体之后，他们在著名综合大学或企业研发部门取得了重大研究突破，从而为新世纪荣获诺贝尔科学奖奠定了基础。
据此可以推定：
● 日本新世纪出现诺贝尔科学奖“井喷”与战前的科学风土有关；
● 日本新世纪出现诺贝尔科学奖“井喷”与战后的教育改革有关；
● 日本新世纪诺贝尔科学奖得主受到了导师精神气质的深刻影响；
● 日本新世纪诺贝尔科学奖得主得益于研究开发经费的持续增长。
日本战前的科学风土
请大家先看一下这张 “和汉洋三贤人图”。图中位于中间的是日本人，左边的是中国人，右边的是西洋人。中国人前面放着一盆本草和竖着写的书卷。西洋人则拿着一本横着写的医书，书中有一幅人体解剖图。很明显，图中的日本人和西洋人靠得更近，离中国人相对比较远。
和汉洋三贤人图
这张图是日本画家司马江汉画的，现保存在美国。司马江汉生于1747年，卒于1818年。这张画大约是在1800年前后画的。
大家注意一下这张画中的背景。有两组人在救火，一组人在观望。观望的那组一看就知道是日本人。人多的那组是中国人，人少的那组是西洋人。中国人虽然靠火场比较近，但使用的是桶和盆，救火效果不彰。西洋人虽然离火场比较远，但使用的是消防水枪，用消防水枪灭火显然要比使用桶和盆效果更好。
司马江汉画这个背景是有寓意的。意思是说基于本草的中医和基于解剖的西医是存在功能差异的，二者之间的差异犹如用木桶泼水救火与用水枪抽水救火之间的差别。在司马江汉看来，日本当然应该亲近西方，选择西医。
司马江汉何以在鸦片战争之前就对中医和西医产生这样的认识？这种认识的形成对日本后来的学术发展产生了什么样的影响？
这种认识的形成和日本的锁国政策不同于中国有关。
日本在锁国期间一直维持着与荷兰之间的联系。不过，为了防止西洋人传教，日本人只许荷兰商船停靠长崎的出岛，然后再定期过桥和日本人交易。
荷兰在长崎的出岛（Dejima）设置的商馆
不仅如此，日本人还模仿中国的朝贡制度，要求荷兰商馆定期赴江户，也就是东京进贡。从长崎到东京的路途很远，荷兰商馆的进贡队伍走一个来回怎么要好几个月，所以需要带医生随行。在路途上，遇到藩主及其家人生病了，随行医生免不了会应邀帮助藩主及其家人治病。当藩主发现荷兰医生比本潘医生医术更高明时，就会责成本潘医生向荷兰医生讨教，甚至前往长崎学习西方医学。想向荷兰医生学习西方医学，首先得学习荷兰语。因此，日本很早就出现了一批懂荷兰语的学者。
17-19世纪荷兰商馆赴江户拜见德川将军
1609-1850年间，荷兰商馆一共到东京进贡了167次；1633-1790年间，几近每年进贡1次。锁国期间与西方人进行如此密切的交往，这在中国是见不到的。这种交往，增进了日本人对西方学术的了解。正因为如此，杉田玄白早在1774年就完成了《解体新书》的翻译。
日本1774年翻译出版的《解体新书》插图
《解体新书》出版后，介绍西方医学的翻译书相继出现。譬如，宇田川玄真1793年出版《西说内科选要》，将荷兰医学从外科扩展到内科；他1805年出版的《医范提纲》中还附有铜版图谱，而且内容也超出了解剖学的范围，涉及到许多生理学、病理学问题。他1822年出版的《远西医方名物考》则属于药物学著作。
这些在日本江户时代经荷兰人传入日本的学术、文化、技术，被称为兰学。兰学者的大量出现，为日本拥抱西方医学，乃至自然科学铺平了道路。
佩里叩关之后，兰学在日本又进一步发展为洋学，以致日本在江户末期和明治初期产生向西方学习的意愿之时，也具备了向西方学习的能力，主要是语言交流和学术理解能力。
明治维新后，日本不仅于1877年创办了东京大学，聘请了一批西方学者来日本执教，而且还选派了一批学术精英前往西方留学。北里柴三郎、志贺洁、秦佐八郎就是在这一时期派往德国跟着科赫、埃尔利希等人学习医学和微生物学的。
东京大学赤门
医学讲究实证，最容易摆脱传统学术的羁绊，受到社会的重视。而医学的率先发展，又带动了生理、病理、生物、物理、化学等实验科学的发展，以及工程技术的发展。
实验科学的发展和科技人才的积累，又为日本高等教育的崛起创造了条件。二战结束前，日本在本土一共设立了七所帝国大学，这七所帝国大学中，除名古屋大学是在中日战争爆发后设立的之外，其他六所都是在此之前设立的。京都大学是在甲午战争爆发后不久创立的，东北大学是在日俄战争爆发后不久创立的，北海道大学则是在一战爆发后不久创立的。
要而言之，二战之前日本的高等教育和科研水平已经达到了相当高的程度，在微生物学、医学等不少领域已经赶上了西方发达国家。
日本战后的教育改革
日本新世纪诺贝尔科学奖得主几乎都是在战后接受大学教育的，而且大多数是在战后初期接受中学教育的。当时日本的教育正经历着一场深刻的变革。
1926年进入昭和时代之后不久，日本便进入了动荡不安的军国主义黑暗时期。为了 “阐明我国的国家体制和国民精神的原理，弘扬国民文化，批判外来思想”，日本文部省于1932年设立了国民精神文化研究所，日本司法省于1934年设置了思想检察官，不断强化对思想和文化的管制，大力倡导国粹主义，主张国家至上。这明显与启蒙主义教育理念相悖。
为了给军国主义摇旗呐喊，日本的媒体也开始大肆渲染本国的军事、科技乃至社会优势。当时被广泛阅读的两本科普杂志——1923年创刊的《科学画报》和1924年创刊的《儿童科学》，在军国主义者的操控下，几乎每期都在鼓吹日本的军事装备优势和科学技术成就，以致很多日本青少年都想从军，以为日本的军事技术真的很先进，可以称雄世界。
左：1923年创刊的《科学画报》 右： 1924年创刊的《儿童科学》
受到1939年的诺门罕战役的沉重打击后，日本的一些有识之士意识到日本不能再狂妄自大、自欺欺人了，必须大力推进教育改革，切实增强科技实力。但是，走上了军事扩张不归路的日本，在二战期间是不可能真正对教育实行民主主义改革的。
战后，受麦克阿瑟将军的邀请，“美国教育使节团” 27名成员于1946年3月抵日。美国教育使节团经过数周的考察后指出，日本的科学教育是落后的，应将美国的教育理念全盘引入日本。在美国教育使节团的协助下，日本文部省于1947年3月21日颁布了《教育基本法》和《学校教育法》，开始用和平主义和民主主义教育取代以往的国家主义和军国主义教育。东京、京都、东北、北海道、九州、大阪、名古屋等七所帝国大学，正是在这一时期被改造成为国立大学的。虽然它们都称作国立大学，但实际上享有高度的办学自主权，譬如校长由教师选举产生，教授会对教师人事和教学经费具有议决权等。
战后初期的教育改革，不仅使日本的大学教师，尤其是国立综合大学的教师获得了更多的研究自由和稳定的经费支撑，而且还使大批理工科学生获得了更多的参与科学研究的机会，受到了更好的科学研究训练。这些无疑会对战后入学的年轻学子科研志向的培育产生积极影响，也为青年才俊进入国立综合大学心无旁骛地开展自由探索创造了有利条件。
1992年、2007年的卡耐基梅隆大学教师国际调查显示，七成左右的日本大学教师在教学与科研中更重视后者。在国立综合大学，这种“科研至上”的风气可谓更浓。这样一来，在日本，客观上能够搞科研，主观上也很想搞科研的大学教师比比皆是。虽然这种重视知识生产胜过知识传播，甚至知识应用的办学模式曾引起日本民众的不安，但它在创新型人才的选拔和培养上确实存在诸多优势。
日本导师的精神气质
上个世纪五、六十年代，在日本国立综合大学指导理工科学生开展研究的教师大体上可以划分为两类，一种是亲身经历过战时研究的资深教师，另一种是二战后期才考上研究生的青年教师。战时，前者大都直接或间接地参加过与军事装备开发和生产有关的研究。后者的情况则有些特别。
日本陆军部原子弹项目负责人仁科芳雄（1890-1951）
因从事军工研究的高素质人才严重短缺，日本政府决定从1943年起在七所帝国大学以及东京工业大学、东京文理大学、庆应义塾大学、早稻田大学等高校创立研究生院，每年招收500名二年制和250名三年制研究生（前者相当于硕士生，后者相当于博士生）。由于这些研究生在校期间既可以免于服兵役，又可以拿高额奖学金，所以入学考试竞争异常激烈，考上的人学业都相当优秀。这些研究生毕业后有很大一部分进高校当了教师。他们和很多老教师一样，曾目睹技不如人的日本在太平洋战争后期被科技强国美国碾压，因此攀登科学高峰、抢占技术制高点的愿望非常强烈。
1952年，旧金山和约签署之后，美国结束了对日本的占领。经受过战争磨练的国立综合大学的教师们，拥有充分的研究自由后，为迅速恢复日本的科技竞争力，在争分夺秒地开展科学研究的同时，还尽其所能地指导着自己的学生。
京都大学汤川秀树教授
这些导师，无论是年长者，还是中生代，大都经历过二战，对科技竞争的残酷性和重要性有着深切的感悟，因此人人都可以说是拼命三郎，而且对解决科技问题与发表期刊论文之间的关系有着非常清醒的认识，对科研选题的新颖性和科研数据的准确性要求非常严格。这种精神气质通过言传身教的方式传递给他们的弟子。他们的弟子在其耳提面命之下，对日本走科技立国的道路、迅速跻身世界科技强国行列的必要性也有着与今日的 “宽松世代” 不同的理解，并且都甘愿为增强日本的科技实力而做出不懈努力。
1964年，东京奥运会成功地向世人展示了日本的科技实力；1965年，朝永振一郎又继汤川秀树之后再度摘得诺贝尔物理学奖桂冠。这些成功，使日本新世纪诺贝尔科学奖得主的导师们迅速恢复了自信，同时也极大地提振了他们的弟子的科技自信心。这些青年学子相信一切皆有可能，只要自己勤奋努力、勇于攻坚克难，就有可能做出世界一流的科技贡献。因此，他们不愿意再继续简单地模仿西方学者，而是瞄准世界科技前沿大胆地向无人区挺进。如果他们当时为了多发论文，只肯做跟踪研究，不愿挑战世界科技难题，很难想象他们之后能取得那么多令世人瞩目的原创性科技成果。
日本研发经费的持续增长
搞科研只有主观愿望不行，还得有先进的仪器设备和充裕的研究经费，这些都需要有坚实的技术经济基础的支撑。所幸，日本新世纪诺贝尔科学奖得主投身科研领域时，正好遇上了日本经济高速增长期。
上个世纪六十年代，日本在大多数年份都保持了两位数的经济增长率。结果，日本的经济增长大幅超过了1960年定下的在今后10年中将国民生产总值提高两倍以上的目标。
日本在制订 “国民收入倍增计划” 的同时，还制定了与此目标相呼应的“科学技术10年计划”，提出有必要按欧美国家的水准，尽快将研发经费投入总额提高到国民生产总值的2%。实际上，日本1970年的研发经费投入总额达到了1960年的6.48倍，其中投给大学的研发经费更是增长了7.1倍！2%的数值目标也于1970年达成，这比美国只晚了不到10年的时间。
日本1956-2010年GDP与经济增长率变化趋势图
上个世纪七十年代的两次石油危机对世界经济造成了很大的冲击，但在节能环保等产业的带动下，日本的国内生产总值仍然实现了大幅增长。1970年日本的GDP只有2.03千亿美元，但至1980年时日本的GDP已增长至1.071万亿美元。伴随着经济的高速增长，这一时期日本的研发经费投入总额也在不断攀升。结果，1980年的研发经费投入总额又在1970年的基础上增长了3.9倍。
日本1965-1985年研发经费投入总额变化趋势图
在上个世纪最后20年里，除去泡沫经济破裂之初的三年，日本的研发经费投入总体上呈不断攀升之势。这一时期，日本的研发经费年度投入总额由4.7万亿日元进一步增长至14.7万亿日元。而且在这20年里，日本的研发经费投入强度也由2.1%进一步攀升至2.9%，甩开德国0.5个百分点，高出美国近0.3个百分点。
1981-2016年间主要国家研发经费投入情况
正如上文所说，日本新世纪诺贝尔科学奖得主的获奖奠基性成果，几乎都是在进入1970年代之后取得的。这意味着，他们是在日本将研发经费投入占国内生产总值之比提高到2%之后才取得的重大科技突破。这一点非常重要！没有经济基础的强有力支撑，也许能够偶然作出一两项诺贝尔奖级科学贡献，但出现诺贝尔科学奖 “井喷”，一定离不开经济基础的强有力支撑。
简言之，上个世纪七、八、九十年代日本的研发经费非常充足，做科研根本不缺钱。而且，当时的科研人员在日本国内所受的高等教育也是相当先进的，指导他们的导师大多参加过战时研究开发竞争，有着很好的求真务实的精神。至于日本新生代，其精神面貌和所处环境与上一代人有着很大的差异，恐怕很难复制前辈的辉煌。
05
结语：中国如何才能迎头赶上？
北京大学校友屠呦呦获诺贝尔生理学或医学奖
从德国、美国和日本的例子来看，将经济看成是今天、研发看成是明天、教育看成是后天似乎不太合适。相反，我们更应把教育看成是今天、研发看成是明天、经济看成是后天。把科学教育搞上去之后，研究开发就不难取得突破；研究开发进入快速通道之后，经济增长就不难再上一个台阶。
1992年，中国确立社会主义市场经济体制的改革目标，改革开放的步伐由此进一步加快。从这一年起，中国的经济增长率持续多年高居世界首位。2019年，中国GDP接近100万亿元，按照年平均汇率折算达到14.4万亿美元，稳居世界第二；人均GDP也已突破1万美元大关，达到10276美元。
中日两国国内生产总值增长情况（1960-2019）
在经济取得如此巨大成绩的同时，我国的教育事业也获得了快速发展。我国高校用相对较少的经费培养了世界上规模最大的本科生和研究生群体，并很好地解决了教育公平问题。但是，教育既要重视量还要重视质。而要大幅度提高教育质量，就得加大高等学校研发经费的投入。否则，很难形成创新型人才和原创性成果不断涌现的大好局面。
2018 年，中国研发经费投入强度升至2.18%，研发经费投入规模达19657亿元。但近年来，中国高等学校研发经费占全社会研发经费之比一直徘徊在7%上下，较美国、日本等国家还有较大差距。
主要国家高校研发经费占全社会研发经费的比重变动情况
中国高等学校研发经费占全社会研发经费的比重明显偏低，与政府投给高等学校的研发经费占比过低有着很大的关联。以2017年为例，中国将6成以上的政府研发经费投给了政府研究机构，只将2成的政府研发经费投给了高等学校，这在世界主要国家中称得上是一个特例。
美、中、日2017年研发经费流向
更关键的问题在于，中国政府的研发经费占全社会研发经费的比重原本就不高。例如2017年，中国的这一数值仅为19.8%，低于美国的22.8%，远低于英国、德国和法国。
主要国家政府研发经费占全社会研发经费的比重变动情况
由于中国政府的研发经费投入占全社会研发经费的比重偏低，政府投给高等学校的研发经费占其研发经费投入的比重明显偏低，加上中国高等学校不能收取高额学费以弥补研发经费的不足，中国高等学校的研发经费出现了严重短缺。
2010年以前，中国高等学校实施的研发经费一直低于日本，近年虽然有所增加，但截至2016年仍只比日本高出1/3。而中国高等院校实施的研发经费至今仍未达到美国的一半。
主要国家的高等学校研发经费变动情况
若按汇率对中美两国前100所高校2016年的研发经费进行折算处理后发现：中美两国前10、50、100所高校研发经费占本国全体高校研发经费的比重差异并不明显，但中国前10所高校的研发经费集中度稍高一些，美国前100所高校的研发经费集中度相对高一些。另外，中、美两国前10、50、100所高校研发经费平均值的差距非常大。
在研发经费捉襟见肘的情况下，中国高校的很多教师不得不减少或放弃前沿探索和 “无人区” 尝试，甚至连开展一般跟踪研究都非常困难。结果，在校学生缺乏接受严格科学研究训练的机会，使用先进仪器设备、深度参与尖端科学研究更成了一种奢望。
因此，中国要实现更多的从0到1的研究突破，至少政府有必要持续加大高等学校的研发经费投入，同时高等学校也要努力创造条件让中青年教师不急功近利，只为追求真理而潜心开展科学研究。
若按近年国内生产总值进行排序，美国位居第一，中国位居第二，日本排在第三，德国排在第四。
在120年的诺贝尔科学奖颁奖史上，目前GDP位居前四的其它三个国家都先后创造出了令人惊叹的奇迹。
中国是有着悠久历史传统的人口大国，在实现中华民族伟大复兴的历史征程中，中国有责任为人类命运共同体的建设作出更多更大的贡献。因此，支持研究型大学中的学者潜心探究自然，不仅是实现科技自立自强的需要，也是建设人类命运共同体的需要。#木木西里#
内容来源：知识分子
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