诺奖评选也以GDP论英雄？中国何时迎头赶上
编者按
2020年10月29日，北京大学哲学系教授周程应邀在北京大学科学技术与医学史系创系主任韩启德院士牵头开设的本科生通识课程《当代科学史》上，围绕“诺贝尔科学奖与20世纪科学”主题进行了授课。周程在对1901-2020年间诺贝尔科学奖的颁奖数据进行处理后指出，诺贝尔科学奖史上出现过三大奇观：
1. 20世纪早期德国诺贝尔科学奖获奖人数独占鳌头；
2. 二战结束后美国诺贝尔科学奖获奖人数遥遥领先；
3. 21世纪初期日本诺贝尔科学奖获奖人数出现井喷。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为追求真理而潜心开展科学研究。● ● ●
01
诺贝尔科学奖120年史上的三大奇观
诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖从1901年授奖到今年正好满120年。在这120年里，一共有624人次获诺贝尔科学奖，其中物理学奖216人次，化学奖186人次，生理学或医学奖222人次。
在这120年里，美国共有265人次获奖，占比高达42.5%。
获奖数不足100人次但超过20的国家有：英国（94）、德国（73）、法国（34）、日本（22）。
获奖数不足20人次但超过10的国家有：瑞士（18）、瑞典（16）、荷兰（15）、俄国（13）、加拿大（10）。
获奖数不足10人次但超过5的国家有：奥地利（9）、丹麦（9）、澳大利亚（8）、意大利（6）、比利时（6）。
上面这张表格揭示了1901-2020年间主要国家的诺贝尔物理学奖、化学奖、生理学或医学奖的获奖人次。
从三个领域的国别分布来看，诺贝尔物理学奖中，美国占92人次，英国占28人次，德国占25人次，超过两位数的还有，法国14人次；化学奖里面，美国占了70人次，英国占了32人次，德国31人次；生理学或医学奖中，美国占了103人次，超过3位数的仅此一家。英国、德国、法国都是两位数，分别是34、17和11。
我们可以看到，美国获颁诺贝尔科学奖人次遥遥领先，几乎是第二名英国的三倍。另外，美国、英国、德国、法国、日本、瑞士、瑞典、荷兰、俄国和加拿大这10个国家，包揽了近90%的诺贝尔科学奖。
如果把这120年里的获奖人数按照十年一段进行统计，就会得到下面这张图。
从这张折线图中可以看出，诺贝尔科学奖的获奖人数呈上升趋势，第二次世界大战后每个时段的获奖总人数均高于战前的各个时段。逐年检查诺贝尔科学奖颁奖数据时会发现，二战前，一个奖项一般只颁发给一个人；二战后，2个或3个人分享同一奖项的情形有很多，以致每个时段的获奖人数都明显高于战前。
此乃 “大科学” 兴起导致的结果。二战后，“大科学” 兴起，从事科学研究的学者急剧增长，科研经费投入快速攀升，再加上仪器、装备得到显著改善，以致诺贝尔奖级的科学成果不断涌现。诺贝尔奖级的成果多了之后，如果每个奖项一年只颁发给一个人，很多人就会失去获奖机会；如果每年多评出几个人，就可以一定程度地缓解矛盾，但每个奖项一年最多只能颁给3人的规则不能变。
以物理为例，100年前，世界上的物理学家只有1000名左右；如今，全球范围内的物理学家不少于100万人。换言之，100年里物理学家的人数大约增长了1000倍。科学家多了之后，高质量的成果也就会相应地增多。这样一来，作出杰出科学贡献的科学家等候颁发诺贝尔科学奖的时间就会变得越来越长。
进入21世纪后，除诺贝尔生理学或医学奖得主获奖时的平均年龄接近但仍未达到65岁之外，诺贝尔物理学奖和化学奖得主获奖时的平均年龄均超过65岁。
按国别和年代对诺贝尔科学奖获奖数进行分类处理后，我们还会发现美国在二战之前表现一般，但二战爆发之后美国的获奖数据迅速攀升至两位数。
还有一个现象值得注意。上图中，多数情况下位居第二的这根绿线表示的是美、英、德、法、日五个国家之外的所有国家的获奖总数。忽视这根绿线后可以看到，在20世纪前30年，德国获奖数一直独占鳌头，领先于世界上任何一个国家。这是比较罕见的一种现象。
表示日本的这个蓝线，进入新世纪后，突然跃起，形似井喷。所以，很多人将日本这一阶段的获奖现象称作为诺贝尔科学奖 “井喷”。
1. 20世纪早期德国诺贝尔科学奖获奖人数独占鳌头；
2. 二战结束后美国诺贝尔科学奖获奖人数遥遥领先；
3. 21世纪初期日本诺贝尔科学奖获奖人数出现井喷。
接下来，就聚焦诺贝尔科学奖百廿史上的这三大奇观，主要围绕 “诺贝尔奖与科学教育” 作些宏观分析。
02
20世纪早期德国何以盛产诺贝尔科学奖得主？
德国的获奖者几乎都担任过大学教授
1901-1930 年间，全球获得诺贝尔科学奖的人数为93 人，其中德国是28人，英国是15人，法国是13人。德国的获奖数正好是英国和法国的获奖数之和。这一时期，美国只有4人获奖。这与很多人挂在口头上的 “20世纪是美国科学的世纪” 有点不相吻合。可以说，20世纪前30年，德国的科学表现要比美国更加突出。
有意思的是，20世纪早期，德国的诺贝尔科学奖获奖者几乎都担任过大学教授。而且，他们的获奖成果基本上都是在德国大学里取得的。因此，讨论德国20世纪早期的诺贝尔科学奖高产现象不能不谈德国的高等教育。
18世纪德语国家面临的大学危机
19世纪前，德意志长期处于割据状态，各路诸侯以及教派出于培养人才和提高声望的需要，纷纷设立大学。由于君主国都很小，财政收入有限，难以支撑大学的运作，所以德语国家的大学规模都不是很大，办学水准也比较低。这不可避免地会引发民众的不满，以致在18-19世纪之交的约20年里，有20所大学被废掉或被兼并。
在18世纪末的大学危机中,出现了三种对大学改革的主张：
第一种主张受英国的影响比较深，保守主义色彩比较浓，认为教育的目的是通过运用传统的教学方法来传递具有正确信仰的知识。这种观点在大学神学院中拥有广泛的市场，因为偏重实际应用不利于维护神学在大学中的首要地位。
第二种主张受法国的影响比较深，功利主义色彩比较浓，倡导以对职业、邦国和教会有用的技能训练年轻人。这种观点的倡导者，政府官员、大学法学院和医学院的教授居多。
第三种主张坚持以人为本，强调要把人的思想感情从神学的束缚下解放出来，同时也反对强迫纪律，死记硬背；认为教育的目的是帮助发展和实现个人的全部潜能, “造就” 有能力、有品行的人。这种主张多出自于新人文主义者。
受新人文主义的影响，19世纪初，费希特、谢林、威廉·冯·洪堡等人先后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与发展指明了航向。
柏林大学的创建
● 柏林大学的创建背景
1789年，法国大革命爆发。普鲁士极端仇视法国革命，于是联合沙皇俄国、奥地利等国对法国进行武装干涉。
拿破仑执政后，于1803年出兵德意志，消灭了德意志西南部的众多封建邦国。1806年又开始向德意志西部地区发起进攻，并将莱茵地区的德意志各邦国组织成了 “莱茵同盟”。1807年，拿破仑迫使普鲁士国王弗里德里希·威廉三世放弃了易北河以西所有领土，普鲁士因此失去著名的哈勒大学。
哈勒大学于1694年创建，是最早摆脱宗教束缚的大学之一。在拿破仑入侵期间，哈勒大学成了重要的抵抗运动中心。因此当法国军队占领普鲁士易北河地区之后，拿破仑命令关闭了位于该地区的哈勒大学。
失去哈勒大学的教师们请求普鲁士国王在柏林重建一所大学。对失去仅有的一所大学十分痛心的国王同意了他们的要求, 并任命教育大臣威廉·冯·洪堡于1809年着手筹建柏林大学。
威廉·冯·洪堡创办柏林大学时在办学理念上深受哲学家谢林的影响。谢林1803年在《关于学术研究方法的演讲》中曾提出：
1810年10月，柏林大学在汉利希王子宫殿正式开办，由哲学家费希特任首任校长。这是德国高等教育发展史上的一个重要里程碑。
● 柏林大学的办学特色
威廉·冯·洪堡强调，德国大学应该有别于法国综合理工学院、巴黎高等师范学校那样的高校，在管理和学术上保持自主性。它包含三层含义：
3. 大学的教师和学生应甘于寂寞，不为任何俗务所干扰，完全潜心于科学。
洪堡认为 “自由” 是教育的 “首要和不可缺少的条件”，因此他大力倡导 “教的自由” 和 “学的自由”。在洪堡看来，大学不仅是知识传播之地，更是知识生产之地，因此他极力主张教学与研究相结合。而在此之前，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、教学+研究等办学原则，柏林大学将传统大学中的通识教育学院——哲学院扩充成了与法学院和医学院并驾齐驱的专业教育学院，从而提升了哲学院在大学中的地位。
此前，欧洲的大学基本上都是由哲学院、神学院、法学院和医学院四个学院组成。其中，哲学院主要负责基础教学，有点类似现在的美国大学中的文理学院和日本大学中的教养学部。神学院、法学院和医学院负责专业教学。医学院主要培养医治人之身体的专业人才；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。
需要强调的是，当时的哲学概念非常宽泛，自然哲学乃其中的一个重要分支。而自然哲学不仅包含对自然进行抽象思考所获得的知识，而且还包含对自然进行实证探究所获得的知识。因此，柏林大学提升哲学院的地位之后，极大地促进了德国形而上学的发展和自然科学的进步。
除此之外，柏林大学还开始实行讨论班教学和讲座制。讨论班教学在今天的研究型大学中受到了高度关注。比起知识传播，它更重视知识生产，或者叫知识创造。讲座制是德国大学特有的制度，一个学科只设置一个教授，不像美国即使是同一学科也设置一堆教授。而且在当时的德国，教授不退休，副教授就只能干等，即使水平再高也晋升不了教授。讲座制的好处就是，一个人当教授，下面的人都跟着他的兴趣来做研究，容易形成学派，而且很多研究能够一以贯之，持之以恒。
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，那他是很难向学生讲清楚知识的生产方法的。教师开展科学研究，不仅有利于了解和跟踪本领域的发展前沿，提高自身的研究探索能力，避免向学生传授陈旧、落后的知识，而且还有利于将研究的方法和探索的精神传授给学生，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巨大的促进作用。
● 柏林大学的社会影响
柏林大学名家辈出，群星灿烂。
物理学家基尔霍夫、爱因斯坦、薛定谔、海森堡、玻恩，化学家霍夫曼、拜耳、艾米尔·费歇尔、德拜、能斯特、哈恩，生物学家魏尔啸、科赫、埃尔利希，数学家魏尔斯特拉斯、狄利克雷、冯·诺依曼，哲学家费希特、谢林、黑格尔、叔本华、杜林等曾在此任教。
物理学家亥姆霍兹、赫兹、普朗克、卡尔·费迪南德·布劳恩、沃纳·冯·布劳恩、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、哈伯、汉斯·费歇尔、奥托·迪尔斯、奥托·海因里希·瓦尔堡，地质学家李希霍芬、魏格纳，生物学家施旺、埃米尔·阿道夫·冯·贝林，数学家康托、克罗内克、利普希茨，哲学家胡塞尔、费尔巴哈等曾在此就读。
革命导师马克思也曾在此攻读法律，恩格斯则是柏林大学的旁听生。
上述名单中，有相当一部分人于二战前获诺贝尔科学奖。
坚持独立自主，倡导自由精神，重视研究业绩的柏林大学问世之后，德国又以柏林大学为榜样陆续建立了一批新型大学；同时，还对一批老大学进行了改建和扩建。如布雷斯劳大学、波恩大学、哥廷根大学、慕尼黑大学，以及海德堡大学和莱比锡大学等。
后来有人评价道：“没有柏林大学就没有光辉灿烂的德意志文明”。它甚至被誉为“所有现代大学之母”，“研究型大学鼻祖”。
李比希实验室的创立
● 李比希创立现代实验室
柏林大学的成功，有力地促进了自然科学教育的普及。然而，当时各大学盛行的做法，至少存在两方面的缺陷：
一是虽然哲学院的地位提高了，但自然科学的教学方法并没有发生质变。讲授自然科学课程的教授多为哲学家，他们注重思辨和自然哲学体系的构建，对实验兴趣不浓，因而学生很难得到严格的科学训练。
这种状况直到1826年李比希在吉森大学建立化学实验室后才得到改变。
李比希1820年进入波恩大学，1821年随师转入埃尔朗根大学学习化学，1822年凭论文《论雷酸汞的成分》获博士学位。他对这两所学校的学究气感到不满，于是经科学界泰斗亚历山大·冯·洪堡教授（威廉·冯·洪堡的弟弟）推荐来到法国著名化学家、物理学家盖·吕萨克的实验室工作。
1824年李比希回到德国任吉森大学化学助教，第二年22岁的他就晋升为教授。
李比希在盖·吕萨克的私人实验室进行化学研究时感受到了实验室的重要性。当时的实验室很少，大多是一些私人实验室，只能容纳一、两位学生或助手学习和研究。为了改变这种情况，李比希返回德国后加强了实验室的建设和化学教学法的研究，从而使化学教学真正具备了实验科学的特色。
1926年，李比希在吉森大学建立了一个完善的实验教学体系，其实验室可同时容纳22名学生做实验，教室可供120人听讲，讲台两侧摆放着各种实验设备和仪器，以便做各种演示实验。
● 李比希的实验教学法
李比希为实验室教学编制了一个全新的教学大纲，规定学生在学习讲义的同时还要做实验，须先使用已知化合物进行定性分析和定量分析，然后再从天然物质中提纯和鉴定新化合物以及进行无机合成和有机合成；学完这一课程后，在导师指导下再进行独立的研究以完成毕业论文；论文通过审核鉴定后才可以获得博士学位。
在李比希的实验室，教师和学生一同并肩工作，建立起了一种新型的师生关系。它不同于传统的 “师傅带徒弟” 模式，也有别于当时英国的 “导师+助手” 形式：导师和学生既是上下级关系，也是伙伴关系。他们互相学习、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学研究组织形式的发明。它将众人的努力集中起来，从而使很多互相关联的，但令单个研究者沮丧的问题得以解决。在这里研究者不一定要具备一流的才智，二流研究者同样可以做出非同寻常的业绩。
除了教学改革，李比希还在科学研究上率先垂范，作出了很多重要的科学贡献。
1830年代前，李比希主攻有机化学，40年代后主攻农业化学和生物化学。他曾作过大量的有机化合物的准确分析，并改进了有机分析的若干方法，定出大批化合物的化学式，发现了同分异构现象等。李比希提出植物需要氮、磷，钾等基本元素，并深入研究了提高土壤肥力的问题，因此被农学界称为 “农业化学之父”。
此外，李比希还创办了《化学和药学年鉴》，成功地吸引了大量有才华的德国年轻学生从事化学研究。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十分突出。
● 李比希实验室的影响
国内影响：以李比希实验室为模型，1833年，约翰内斯·缪勒在柏林大学建立了解剖生理实验室；1836年，弗里德里希·维勒在哥廷根大学建立了化学实验室；1852年，罗伯特·本生在海德堡建立了化学实验室；1865年，路德维希在莱比锡大学建立了新型生理学实验室；1875年，冯特在莱比锡大学建立了心理学实验室。
可以说，德国大学于19世纪中期建立的实验室，几乎都是效仿李比希实验室的产物。
国际影响：李比希实验室模式一开始并没有在德国之外得到发展。但是他吸引了一大批英国、法国和美国的青年人来德国学习。至1850年，李比希指导的外国留学生数达170人之多。俄国的齐宁、法国的日拉尔、英国的威廉姆逊等，都是李比希的学生。
到了1900年，英国没有获得德国博士学位的化学家几乎没有，物理、生物、生理、医学、数学也是如此。
国外学者，包括大西洋彼岸的美国学者纷纷来德国朝圣，使德国科学界的 “朋友圈” 越拉越大，德国科学界在国际上的地位也由此得到大幅度提升。
高等教育促进了德国工业的发展
威廉·冯·洪堡1810年创办柏林大学和李比希1826年创立吉森实验室堪称是破天荒的壮举。它们为德国高等教育的快速发展奠定了重要的基础。
当时，以牛津、剑桥为代表的英国大学重视的是教养教育，重在培养绅士风度；以综合理工学院、矿山学院为代表的法国大学重视的是应用教育，旨在培养工程师。而德国的不少大学则将探究自然、追求真理作为大学的核心使命，旨在培养能够仰望星空、独立开展学术研究的学者。因此，德国的大学得以培养出一批杰出的科技人才，取得一批重要的科技成果。
如果德国的高等教育理念过于超前，德国的工业界跟不上大学的前进步伐，那么在德国就必然会出现大学毕业生找不到用武之地，科技成果无法及时转化应用的尴尬局面。恰巧，以纺织工业为先导的工业革命当时正在欧洲兴起，德国的工业界对科技人才和科技成果的需求不断攀升。若不是德国的高等教育超前发展一步，很难想象19世纪后期德国的工业能够拉开与英国和法国的距离。
工业革命早期，纺织工业获得了快速发展。当时，用机器生产出来的布匹有不少是用发酵奶来漂白，用植物汁液染色。采用这种工艺，不仅满足不了生产的需要，也无法保证产品质量。这就为德国的一些科学家，尤其是化学家发挥研究专长，施展抱负提供了一个重要的舞台。事实上，这些科学家在实验室里捣鼓出来的一些化合物后来真的转化成了工业染料，大幅提升了德国纺织品的竞争力和附加值，德国的纺织工业得以后来居上，实现弯道超车。
德国纺织工业的快速发展又带动了交通运输业、机械制造业以及冶金工业的发展。因此，与无机化学、有机合成化学、天然高分子化学一同获得发展的，还有金相学、炼钢技术、合金材料技术以及机械加工技术等。
工业发展对理工科教育提出新的要求
企业为了保护自己的市场、开辟新的市场，需要努力寻找新的染料来替代已没有利润可赚的旧染料，不断提高生产效率和产品质量，这就需要持续加大研究开发投入。
依靠雇佣的化学家和与大学化学家的合作，BASF和Hochst公司于1860年代后期合成出了对德国染料工业发展意义重大的茜素。茜素的投产，使企业深刻认识到科学研究的商业价值，同时也为企业积累了大量财富，这就为进一步支持科学教育和研究开发创造了条件。
随着德国工业的崛起，德国的高等教育在工业需求的拉动下和工商界的支持下又取得了一系列新的进展。1860 年以后，德国开始将实业学校改造为高等技术学校（Technische Hochschule）。其后，在同大学的竞争过程中，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、慕尼黑和斯图加特等高等技术学校不断充实自然科学类课程的教育，逐渐确立了与大学同等的地位，并先后改称为工科大学（Technische Universitat）。
在工科大学的强烈要求下，1899年德国威廉皇帝亲赐工科大学以博士学位授予权（Dr.-Ing.）。至此，德国的工科大学获得了综合大学的所有特权。
今日，德国的综合大学一般都不设工学院，工程技术人员的培养任务主要由工科大学和高等技术学校来承担。
从下表中可以看出，这一时期德国理工科教育规模的扩增相当迅猛。
19世纪后期科技人才和科技成果大量涌现
综合大学和工科大学的发展，为德国培养了大批高素质的科技人才。
1830-1831年，德国的哲学院在籍学生数只占17.7%；1881-1882年，哲学院在籍学生数升至40.3%。1841年，哲学院里的理科学生只占13.6%，1881年哲学院里的理科学生占比急速上升到37.1%。
1899年， 德国大学的在校人数为3.3万，其中，工科大学的学生数为1.1万。
1900年，普鲁士的大学在校人数为1.7万，其中，哲学院的学生数为0.65万，在哲学院攻读自然科学的学生数为0.23万；工科大学的学生数达0.52万，剩余的0.5万余人则为法学院、神学院、医学院的学生。
理工科毕业生源源不断地迈向社会之后，又进一步促进了德国产业的发展。
有研究表明，1899年德国产业界化学专家数量高达4000人，其中从事和染料有关的占1/4。而英国1900年只有30-40名染料技术专家。
据英国学者统计，1900年前后，世界上从事化学研究的科技专家中有2/3诞生在德国，以致1886~1890年间，德国取得了948项与染料相关的专利，而英国仅取得86项。
从柏林大学创立开始到第一次世界大战结束为止，德国拥有的杰出科学家人数为200 人，重大科技成果数高达279 项。同期，英国拥有的杰出科学家人数为122 人，重大科技成果数为174项；法国拥有的杰出科学家人数为88 人，重大科技成果数为107 项。无论是杰出科学家人数，还是重大科技成果数，德国差不多都是英、法两国的总和。
德国在这一时期拥有如此之多的杰出科学家和重大科技成果无疑与德国大学的科学教育有着密切的关系。既然德国能够培养出如此之多的杰出科学家，取得如此之多的重大科技成果，它在20世纪前30年获得那么多诺贝尔科学奖也就不难理解了。
03
战后美国诺贝尔科学奖获奖人数何以遥遥领先？
1930年代开始美国诺奖获奖数位居全球第一
按国别和年代对诺贝尔科学奖获奖人数进行统计处理后，我们不难发现美国在二战之前的整体表现一般。不过，在1931-1940年间，美国的诺贝尔科学奖获奖人数快速攀升至9人，同期德国的获奖人数只有8人，英国的获奖人数只有7人。尽管美国只比德国多1人，但这却是历史性的超越。此后，美国的诺贝尔科学奖获奖数一直位居全球第一。
1941-1950年间，美国的诺贝尔科学奖获奖数首次达到两位数；上个世纪50年代和60年代，美国的诺贝尔科学奖获奖数开始以2打头，但进入70年代就变成30多位了。
美国诺贝尔科学奖获得者（包括毕业生及职员）超过20人的大学高达19所，它们的排序是：
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. 斯坦佛大学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. 卡耐基·梅隆大学20人。
简言之，美国的诺贝尔科学奖获奖人数在二战之前表现一般，但二战爆发后获奖人数迅速攀升，堪称一枝独秀。其中著名大学的诺贝尔科学奖获奖人数表现突出。毋庸置疑，美国如此多的科学家获诺贝尔科学奖，同样受到高等教育改革与发展的深刻影响。
殖民地时期的英式素养教育
1776年7月4日，费城自由钟敲响，美利坚合众国独立。
在此之前，北美长期处于欧洲的殖民统治之下。尽管这一时期欧洲人乘坐帆船飘洋过海来到美洲通常都要花两个月左右的时间，但还是有一批冒险家历尽千辛万苦，克服重重困难来到了北美。当时，将子女从北美送回欧洲接受高等教育非常不便，为了解决子女的教育问题，北美大地上陆续建立起了一批私立学院。
殖民地时期在北美建立起来的学院主要有，哈佛学院（1636年）、威廉·玛丽学院（1693年）、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、1754年）、费城学院（宾夕法尼亚大学前身、1755年）、罗德岛学院（布朗大学前身、1764年）、皇后学院（罗格斯大学前身、1766）、达特茅斯学院（1769年）。不难看出，早期建立的这些学院都集中在人口相对密集的美国东部地区。
这些学院都是模仿英国的牛津大学和剑桥大学建立起来的，因此十分重视素养教育，旨在培养具有绅士风度的人才。当时牛顿已经在英国走红，皇家学会名声日隆，但在北美的这些学院中，科学教育仍然没有获得应有的位置，至于工程技术教育更是登不上大雅之堂。
实际上，哈佛1847年才开设劳伦斯科学学校，耶鲁1854年才开设谢费尔德科学学校。这些科学学校之所以能够成立，很大程度上是因为它们独辟蹊径，绕开了大学主流教学计划的羁绊。耶鲁大学最早在美国开设博士课程，但它直至南北战争爆发后的1861年才开始颁发博士学位。可以说，美国高校中的科学教育要比德国晚很多。
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与工业化的发展
尽管美利坚独立正好赶上第一次工业革命浪潮，但在建国后最初半个多世纪里，美国人口增长非常缓慢，生产力并没有像欧陆那样突飞猛进。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，不适用于横渡浪高风急的大西洋。这一时期，横渡大西洋仍主要依靠风力，即使没有遇到逆风，帆船也得在大洋中漂泊一个多月。欧洲人不是迫于无奈，一般不会乘坐帆船移民到北美。而且使用1、200吨的木质帆船把蒸汽机等大型机器设备从欧陆运到美国也十分困难。因此，第一次工业革命的浪潮晚至19世纪中期才在美国大范围展开。
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风扇。
1843年英国 “雷特勒” 号军舰第一次以螺旋桨代替明轮。同年，美国海军也建造了一艘螺旋桨船 “浦林西登” 号。
尽管英、美等国1840年代在建造螺旋桨船只上取得了一些成功，但是使用螺旋桨推进船舶还有很多难题需要解决，譬如螺旋桨轴的密封、轴承的磨损，船舶的震动等等。因此，进入1850年代以后，螺旋桨才逐渐取代明轮成为主流。
使用螺旋桨推进船舶解决客货的快速、安全运输问题后，土地广袤和资源丰富的美国吸引来了一批又一批的欧洲移民。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年美国的城市人口占比不到10%，1860年这一数字接近20%。
劳动密集型和资本密集型的工厂在城市的发展，一方面削弱了家庭生产的经济地位，另一方面促进了产业分工，催生出一个对技术进步意义非同一般的部门——装备制造业。装备制造业的诞生与发展，减轻了相关企业自行设计装备与工艺的负担，促进了发展制造业所需技术的积累与创新。
众多企业开展生产所需的机器设备由自行设计制造转向依靠相对独立的装备制造商来完成，有效地促进了设备生产的标准化与规范化，进而催生出 “美国制造体系”。
“美国制造体系” 最早是由英国学者提出的。在伦敦1851年举行的水晶宫世界博览会上，美国的柯尔特左轮手枪、胜家缝纫机和麦克科米克收割机等产品大出风头。它们所表现出的机械零件的标准化、可互换性以及高效率大批量生产的特征给欧洲老牌工业国留下了深刻的印象。
“美国制造体系” 一定程度上摆脱了对手工业者技能的依赖，降低了零件制造和安装过程的劳动耗费，大幅度地提高了劳动生产效率。
19世纪中叶以后，在装备制造业的带动下，“美国制造体系” 很快就扩展到几乎所有的美国工业活动当中，从而极大地促进了美国工业化的发展。
● 南北战争爆发后兴起的赠地学院
人口的快速增长要求社会及时扩充高等教育规模；工业化和西进运动的快速发展要求高等教育机构及时调整教学方案，大幅增加与机器制造乃至农业生产有关的教学内容。南北战争爆发后，美国人才和技术供给不足的矛盾变得更为突出。
南北战争期间（1861-1865），联邦政府为了支撑代价高昂的战争，于1862年和1864年两度提高关税税率，以致1865年的关税平均税率攀升至47%。关税税率的上调使联邦政府的海关收入由每年不足4千万美元（1861年）迅速提升至1亿美元以上（1864年）。
关税税率上调原本只是为了筹措打赢战争所需资金，但战争结束后，为了稳住财政收入以医治战争创伤，以及迎合贸易保护主义的诉求，联邦政府只取消了一批临时性的国内税收，关税税率不仅未能恢复到战前水平，反而有所提高，以致保护主义政策被进一步制度化。
限制进口，扩大出口需要恢复工农业生产，大力发展生产力。这意味着，要么加大劳动量的投入，要么提高劳动生产率，当然最好是双管齐下。由于战争期间人口损失严重（大约60万），移民增长放缓，因此加大劳动量的投入受到了制约，这样只能在提高劳动生产率上下工夫。
提高劳动生产率的途径主要有两条，一是发展教育，提高劳动者的技能和素质；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扶持应用类高等教育的发展。著名的《莫里尔法案》（Morrill Act）就是在这个大背景下获准通过并被积极执行的。
《莫里尔法案》又称《赠地学院法案》（The Land-Grant College Act），它是在南北战争爆发后的1962年通过的。《莫里尔法案》规定：由国会给忠诚州的每一位参议员和众议员拨赠联邦公共土地3万英亩，各州可将这些土地或其交易所得用于支持开办农工学院。这些学院必须教授有关农业、机械制造工艺方面的知识，为工农业的发展培养所需专门人才。《莫里尔法案》实施后，有28个州单独设置了农工学院，又称 “赠地学院”，其余的州则将土地拨给已有的州立学院成立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地位特别。它催生了一批实用取向明显的美国高校。美国总共建了69所 “赠地学院”，包括伊利诺伊大学、威斯康星大学、加利福尼亚大学，以及麻省理工学院（1865）、康奈尔大学（1868）、普渡大学（1869）等。很多著名的州立大学都是以此为契机发展起来的。
以18世纪末期问世的综合理工学院等法国流高校为摹本建立起来的“赠地学院”实用主义色彩非常浓，明显不同于注重素养教育的英国流教会大学，也不同于以探求真理为使命的德国流综合大学。“赠地学院”的诞生与发展，确立了农业与工业等应用类学科的教学与研究在美国高等学校中的地位，打破了美国联邦政府不过问教育的传统，促进了美国高等教育的民主化与大众化。
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铺设第一条横跨大西洋的电报电缆。但是，该电缆三个星期后就坏了，而且直到南北战争结束后才重新接通。
南北战争结束后的第二年，也就是1866年，菲尔德使用新建造的 “大东方” 号轮船重新铺设了一条更耐用的跨大西洋电报电缆。使用科学家汤姆逊发明的镜式检流计，通过跨大西洋电报电缆传输时，衰减1000倍的信号都能够准确读出。
跨大西洋电报电缆的开通使美国与欧洲之间的即时通讯成为可能，世界由此变得更小。
1866年，德国工程师西门子发明了自激式直流发电机，并于1867年向柏林科学院提交了一篇论文——《关于不用永久磁铁而把机械能转换为电能的方法》。这就为建造大容量电机，获得强大电力，提供了技术可能性。从此，人类开始迈入以电气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，从而使一个传统行业走向没落——在此之前，成千上万的人都把提取茜素这种天然红色染料作为谋生手段。
1870年前后，德国物理学家恩斯特·阿贝发明了一种新型光学器件——显微镜聚光镜，使用了这种聚光镜的显微镜能够更为清晰地观察微生物世界，从而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·奥托研制出了一台以煤气和汽油作为燃料的四冲程内燃机。内燃机的出现克服了蒸汽机的很多弊端，譬如动力不够强劲，体积太大，噪音太大等。在此基础上，德国人卡尔·本茨于1885年成功研制出第一辆由内燃机驱动的汽车。内燃机的发明，还推动了石油开采业和石油化工工业的发展。
德国在科学技术领域取得的这些新成就，通过刚投入使用的跨大西洋电报电缆传播到美国之后，引起了美国社会的高度关注。对英式素养教育和法式应用教育表示不满的众多美国青年开始纷纷跑到柏林、哥廷根、慕尼黑、海德堡、莱比锡等德国研究型大学留学。
在这种背景下，像德国一样创建一批致力于纯科学研究的研究型大学便成了时代的呼声。
● 设有研究生院的研究型大学的诞生
在美国社会的呼吁下，一些有识之士开始尝试着将德国的研究型大学制度移植到美国。不过，美国没有简单模仿德国研究型大学的做法，而是通过在大学里设置研究生院的方式走出了一条培养高素质创新型人才的新路。
以柏林大学为首的德国研究型大学创立之时，科学知识尚未发生大爆炸，学生们进入大学之前就可以把应知应会的科学知识基本学完。这样，比起科学知识传播，大学更应重视的是科学知识生产。但是，在众多德国现代大学的推动下，19世纪的科学日益专业化，以致青年学子从事科学知识生产之前需要学习的科学知识越来越多。至19世纪晚期，寄希望在中学阶段就把重要的科学知识学完已不可能。换言之，这时仍像德国早期建立的研究型大学那样要求学生一入学就着手开展知识生产已不太现实。
19世纪晚期，美国有识之士移植德国研究型大学制度时，实际上已经意识到了这一问题的存在。因此，他们没有照搬照抄，而是有所继承也有所创新。具体做法就是，将大学学习生活划分成本科生与研究生两个阶段。本科生阶段重在学习知识，研究生阶段重在生产知识。这样一来，本科生阶段就和中学生阶段没有本质差别了，主要任务都是开展通识教育，学习已有知识，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” 一词非常流行。实际上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。
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，赴欧洲访问期间曾在柏林大学留学过一段时间（1854-1855）。1875年赴霍普金斯大学担任校长之前，吉尔曼曾在耶鲁大学谢费尔德科学学校担任过地理学教授，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。
吉尔曼在德国留学过。霍普金斯大学被称为 “设在美国的德国大学” 无疑与吉尔曼深受德国现代大学办学理念的影响有着很大的关联。
吉尔曼认为，科学研究不仅是大学的一项基本任务，而且是大学的灵魂。为此，他在霍普金斯大学设立了研究生院，并把重点放在研究生教育上。为了提高研究生教育质量，他狠抓本科生教学，强调本科生教学与研究生教育相衔接才能有效促进学校科学研究的发展，进一步为社会提供高素质的人才。
创办之初，霍普金斯大学只招收了54名研究生、23名本科生。创办10年、20年之后，研究生招生数扩大到184人、406人，本科生招生数扩大到96人、149人。早期招收的1499名本科生中，有383名接受了研究生教育，其中84名获得博士学位。不难看出，吉尔曼执掌的霍普金斯大学高度重视研究型人才的培养，本科生的升学率和研究生获得博士学位的比例都控制得很严。
由于实行精英教育，每一位学生都受到了严格的学术训练，所以当他们进入社会后，完全可以和那些从德国回来的留学生同台竞技。研究表明，霍普金斯大学20岁时，在全美60所主要大学中，每所大学里至少有3名教授毕业于霍普金斯大学，其中哥伦比亚大学有13名、哈佛大学有10名，威斯康星大学则多达19名。在那个年代，一所大学总共也只有几十名在籍教授。
在约翰·霍普金斯大学的示范下，一批新型现代大学，如克拉克大学、芝加哥大学相继建立。哈佛、耶鲁、哥伦比亚、普林斯顿等一些老牌学院也通过增设研究生院和专业学院，强化大学的科学研究功能，顺利转变为研究型大学。
越来越多的企业涉足科学研究
19世纪八、九十年代，美国青年赴德国留学达到最高潮。这些留学生从德国返回美国后，正好赶上研究型大学的发展大潮。因此，他们很容易在新建立的研究型大学中找到自己的位置。他们回国执教既解决了大学师资不足的难题，又把德国最先进的学术思想带进美国大学。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。
随着研究型大学的快速发展，美国研究生的入学人数开始急剧增加。即使美国的大学数量和规模还在膨胀，但大学能够接纳的博士毕业生数量也非常有限。问题是，这些博士毕业生多数只擅长从事科学研究，尤其是纯科学研究，就业范围非常窄。如果大批博士毕业生在大学之外找不到合适的职位，势必会影响到美国研究型大学的发展。
所幸，第二次工业革命加速了美国企业的兼并重组，美国在世纪转换期诞生了一批超大型垄断企业，譬如美国电话电报公司（AT&T）、通用电气公司（GE）等，这些企业为了提高竞争力，纷纷在企业内部设立研究所。
在美国，1890年，只有4家企业设立了研究所；1900年，大约有50家企业设立了研究所；1910年，设立了研究所的企业大约有180家；1920年，这个数字超过了500；1930年，更是突破了1000。不过，企业研究所的规模有大有小。美国电报电话公司1925年建立的贝尔电话实验室员工数多达3600人，此前通用电气公司设立的研究实验室员工数接近2000人。
早期，美国的企业研究所和德国的情况相似，主要集中在化学和电气行业，这些都是国际竞争异常激烈的行业，也是科学研究与产品开发联系得较为密切的行业。虽然多数企业研究所需要把主要资源投放到与现有产品和制造工艺改良有关的应用研究上面，但是一些企业研究所，尤其是超大型企业的研究所在开展应用研究的同时，也在尝试着开展一些与现有产品和制造工艺关联不大的应用基础研究，甚至纯科学探索。因此，它们需要不时地吸纳一些研究型大学的毕业生来充实研究开发队伍。
美国的一些超大型企业除成立企业研究所外，还捐资成立基金会资助开展科学研究。卡耐基、洛克菲勒、梅隆、福特等基金会都是在这一时期成立的。中国人对洛克菲勒基金会比较熟悉，因为该基金会不仅捐资成立了洛克菲勒医学研究所，而且还捐资成立了北京的协和医学院。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很多重要的研究突破，并发展成为洛克菲勒大学。该所的首任所长西蒙·弗莱克斯纳（Simon Flexner,1863-1946）就是霍普金斯大学医学院首任院长威廉姆·韦尔奇（William H. Welch，1850-1934）的学生，并曾担任过霍普金斯大学病理学教授。1913年，梅隆基金也资助成立了梅隆工业研究所，该所1967年与卡耐基学院合并，组建成卡耐基·梅隆大学。
企业设立或资助的研究机构的发展，不仅提升了企业自身的科技创新能力，也为美国扩大研究型大学的办学规模，提高研究型大学的办学质量创造了条件。
要而言之，在20世纪初期的美国，大学与企业之间的联系进一步加强，博士毕业生加盟企业，大学教师兼任企业研发顾问，企业资助大学教师开展科研，斥资兴办科研机构等等，已成为一种常态，以致在麻省理工学院引发了一场有关究竟是开展科学研究优先，还是支持产业发展优先的著名争论。随着基于科学的产业的发展壮大，产业对科学研究的渗透越来越深。不过，从结果来看，这种发展恰恰是促进了，而不是阻碍了美国纯科学研究的发展。没有企业的支持，美国不可能取得那么多诺贝尔奖级的研究突破。
大批欧洲流亡科学家赴美
一战爆发后，由于欧洲政局动荡，希特勒推行文化清洗政策，大批高级知识分子开始到美国避难，使美国轻易获得了一批来自欧洲的科技人才。美国高校体制的多样性以及高等教育事业的迅猛发展，也使得美国能够留住这些欧洲流亡科学家。欧洲流亡科学家的加入使美国的科技实力大增。
在犹太知识难民集中到达美国的1933-1941年间，仅来自德、奥的犹太知识难民就达7622人，其中1090人是科学家，绝大部分（约700人以上）是教授；此外还有2352名医生，645名工程师，以及811名法律工作者，682名记者，465名音乐家，296名造型艺术家，1281名来自其他文化领域的职业者。这意味着从德、奥两国社会中被驱逐的约12000名文化精英中，至少有63.3％被美国所接受，而在约1400名流亡科学家中，也至少有77％被美国所接受。
接受上千名流亡科学家对美国来说意味着什么？我们不妨看看有关诺贝尔科学奖得主的统计数据。
1933年以前，美国曾有5名诺奖得主，在世者只剩3名；德国曾有31名诺奖得主，在世者仍有19名。然而，仅是这场从1933年开始的德国科学家的流亡潮，就为美国送来了以爱因斯坦为代表的6名诺奖得主以及后来的11名新得主。到1945年，德国1933年以前诺奖得主中的在世者只剩9名，加上新增加的5名，总数为14名；而美国1933年以前诺奖得主中的在世者虽然只剩7名，但由于有这批流亡科学家为代表的欧洲新生科学力量的加盟，却迅速新增加了18名，使总数达到了25名，从而远远超过德国，成为了诺贝尔科学奖得主最多的国家。
这25人中，还不包括那些1945年以后在美国获得诺贝尔奖的流亡科学家，也不包括那些随父母到达美国后才完成学业、并在后来获得诺贝尔奖的第二代流亡者。
欧洲流亡科学家的流入不仅将美国的科研水平迅速推进到世界最前沿，而且为美国大学赢得世界一流地位奠定了基础。今天，美国的诺贝尔科学奖得主总计已达265名，可以说这与欧洲流亡科学家在美国开拓新方向，以及由此在美国高校中营造出来的良好学术氛围有着一定的关联。
政府主导战时军工研究
二战爆发之初，美国并没有打算参战。一是因为国内孤立主义盛行；二是因为军事准备不足。对美国来讲，如果要参战，就得控制大西洋和太平洋的制海权和制空权，否则无法将军人和物资安全运送到欧洲战场和亚洲战场。当时，德国的飞机和U型潜艇不时在大西洋出没，日本的航空母舰经常在太平洋游戈。因此，只有在军事技术开发上取得突破，找到远程探测德国飞机、潜艇和日本航空母舰的办法，美国才有可能宣布参战。
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
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。
《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。
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。
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。
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。
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。
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。
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？
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。
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。
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。
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。
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。
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。
（2020年10月29日，周程教授应邀在北京大学科学技术与医学史系创系主任韩启德院士牵头开设的本科生通识课程《当代科学史》上，围绕 “诺贝尔科学奖与20世纪科学”主题进行了授课。本文主要根据当天的授课内容改写而成。）
制版编辑 | 卢卡斯