在20世紀裡，美國的科學技術經歷了新的重大飛躍，它終於成了世界上科學技術的領頭羊。美國人取得這樣的地位，與他們對科學的認識發生重要變化是分不開的。換言之，如果他們對科學的認識停留在愛迪生時代的水平上，那麼美國在科學上只能做一個二流的國家，因為愛迪生的一系列發明創造，其理論基礎主要是歐洲人奠定的。實際上，19世紀末，隨著國力日益強盛，講究實用主義的美國人的思想發生了某種質的飛躍，他們講實用，但開始重新認識理論的意義。
早在19世紀後期，歐洲的一些重大科學成就傳入美國後，在美國引起了極大的震動。19世紀末，英國物理學家廷德爾和生物學家赫胥黎數次到美國宣講熱力學、能量守恆、進化論和一度十分流行的社會達爾文主義。“一時報刊上大量刊登介紹這些成就的文章，使美國有文化教養的一代人極為震動。過去長期被英國詩歌和小說佔領的美國人的頭腦漸漸為英國的科學所取代。”
一些大學開始重新審視自己對科學的態度，加強科學教育，其中影響最大的是剛剛成立的約翰·霍普金斯大學的經驗。1876年就任校長的吉爾曼（Gilman）明確提出：“最好的教員是自由的，有競爭能力，並且願意進行開創性的研究”；“鼓勵研究的目的，不是為了實際的結果，而是為了科學本身發展的緣故”。在這樣的氣氛中，新一代的科學研究人才出現了，如獲1907年諾貝爾物理學獎的米切爾森。
然而，要改變一個國家長期來形成的習慣，並非易事。1873～1890年間在美國大學中獲得博士學位的只有22個人，絕大多數人的博士學位都是在歐洲獲得的。“對於因學術研究而獲得的榮譽，美國人認為什麼也不值，歐洲人卻認為比金錢更重要。”地質學家和人類學家鮑威爾領導下的地質調查局做出了顯著的成績，獲得了法蘭西科學院的居維葉獎章。
但當他們在19世紀80年代中公開展覽自己的研究成果時，卻遭受了國會議員的批評，說他們不該把地質調查擴大到古生物研究上去，幹了一些沒有用的工作。海軍方面也對海岸調查提出批評，認為他們沒有必要長期精心測量地球表面的曲度，還說海員並不需要了解海岸上每一個突出點和每一個明顯的標誌。此類批評說明了美國人根深蒂固的“實用”的習慣，他們不喜歡理論的思維和研究工作。
正是鑑於這種現象，1883年，任美國科學促進會（AAAS）副主席和美國科學院（NAS）院士的羅蘭發表了一次言詞激烈的演說：“這個國家必須創造物理科學，而不是把電報、電燈等方便生活的東西稱之為科學……發明一般新的、好吃的食物的廚師在一定程度上有益於世界，但我們不能把他誇大為化學家。”他還說當時美國約400所高等院校中，幾乎沒有一所稱得上是大學，它們只是“一群蚊子，而不是鷹”。以鮑威爾為代表的科學家們則堅決抵制上述種種批評，並說明他們的工作都是有實際目的的。
通過這些鬥爭，基礎科學的地位在美國慢慢得到了確立。19世紀末和20世紀初，在美國本土畢業的博士人數增加很快，到歐洲攻讀博士學位的人逐漸減少。這時，新興的大財團對教育和科學研究的興趣日益增加。如1891～1910年間，石油大王洛克菲勒向芝加哥大學共捐贈了3500萬美元，他除了要求該校堅持思想自由和教師的教學自由外，從不過問自己捐款的去向。
鋼鐵大王卡內基向華盛頓卡內基學院捐款1000萬美元，目的是“鼓勵探索、研究和發現”，“改變科學在國家中的地位”。從這些大富翁的思想動向中，可以看到美國人的心理在這時期發生了重要變化。他們的目標已不再是追隨和依賴歐洲，而是志在引領一代潮流。可以說，他們已經比較好地理解了基礎科學和應用科學的關係。
第二次世界大戰，是美國科學技術又一次突飛猛進的時期，政府對這方面的領導明顯加強。1940年，美國國防委員會設立國防研究委員會，1941年聯邦政府設立科學研究與發展局，目的是加強對全國科研力量的統一領導與資助。政府撥款佔全國科研經費的比例，戰前只有19％，戰爭期間上升到83％。許多重大成就都是戰爭期間取得的：第一顆原子彈爆炸，研製出世界上第一臺電子計算機，19位科學家獲諾貝爾自然科學獎，獲獎人數居世界第一。
這時期，一批世界級頂尖人才來到美國，他們中有愛因斯坦、高爾、凡爾密、法蘭克、海斯、列賓等著名科學家。到二戰結束的那一年，全國分散存在的各類政府的實驗室、企業的研究所及大學和私人基金會的研究力量已逐漸匯聚起來，構成了既獨立又相互聯繫的國家科研體系。1946年，美國成立了國內最大的科學實體——原子能委員會；1950年，國會通過立法成立了國家科學基金會，這是一個專門資助基礎研究的聯邦機構。
1951年，美國設立總統科學顧問委員會，1957年開始任命總統科學技術特別助理，1958年成立了國家航空和宇宙航行局（NASA）。1959年，美國又成立了聯邦科學技術委員會，它是國家科技的最高決策機關，由總統科學技術特別助理兼任主席，委員由各內閣部長和美國科學基金會的高級官員組成，目的是全面加強科研工作的領導與協調。
1976年，白宮設立科技政策辦公室；1993年，設立國家科學委員會，總統親自任主席，政府各主要部門的首腦均為委員，以便強化聯邦政府對科技的領導。與此同時，國家對科學的投入也不斷地大幅度增加。
在上述一系列制度和資金的保障下，美國人的發明創造精神得到了進一步的發揮，一個新的發明創造時代到來了。二戰結束不久，美國就發明了晶體管（1948年），製造了半導體收音機和計算機。1956年，集成電路研製成功。1958～1969年間成功地實施了阿波羅登月計劃。二戰後，在西方世界的重大發明項目中，美國佔65％。
美國的科學家獲得的諾貝爾獎也是最多的。以微電子技術為核心的信息技術、生物技術、新能源技術、新材料技術、激光技術、醫藥技術等眾多高新科技都是首先在美國興起的。美國擁有迄今最為龐大的科研群體，投入了令世人望塵莫及的科研經費。按2000年的統計數字，美國共有641萬非軍人的科學家、工程和技術人員，其中科學家有92.28萬，計算機專家290.34萬。
大學科學技術學系共有43.56萬名註冊博士研究生。從1901年設立諾貝爾獎以來，到1999年，物理、化學和醫學方面共有459人獲獎，其中美國科學家有199名，佔43％。2000年，美國科學家在主要科技期刊上共發表14.2萬篇論文，佔世界科技論文總數的35.1％。
美國也是世界上登記發明專利最多的國家，僅1991年就有54882項專利。美國的專利中，有不少是重大的發明，如粒子加速器、哈勃天文望遠鏡、凱克光學天文望遠鏡、空間氣象觀測平臺、新型多普勒雷達和超級計算機等，都極大地推動了科學的進步。
20世紀美國人的科學研究工作表現出一些非常重要的特點：國家高度重視科學技術的發展，並進行強有力的組織和協調；個人把學術成就當成自己畢生的最高追求；從事研究的個人與個人之間及研究機構與研究機構之間進行廣泛合作的團隊精神。20世紀美國人一些重大的科學技術成就就是這樣取得的，如阿波羅登月。我們這裡專門介紹一下“曼哈頓計劃”。
“曼哈頓計劃”是第二次世界大戰期間美國為了搶在德國人之前造出原子彈而制訂的。該計劃集中了當時歐洲和北美最優秀的核物理學家，動員了10萬人員和龐大的工業和經濟資源。所有參加該計劃的人員，特別是處於該計劃核心位置的那些科學家們，在反法西斯的共同目標下同心協力，歷經5年的奮鬥，耗資20億美元，終於造出了世界上第一顆原子彈。
在大戰開始時，美國科學家在核裂變的研製方面遠遠落後於德國人。1938年德國物理學家奧托·哈恩和弗裡茨·斯特拉斯曼在實驗室裡成功地進行了用中子轟擊鈾原子的實驗，出現了物理學界期待已久的裂變效應。鈾裂變的成功實驗使美國的科學家們十分震驚，因為誰首先把它轉為實用，誰就有可能製造出一種威力無比的新型武器。那些從德國法西斯的鐵蹄下逃難來到美國的原子科學家們，對德國可能正在製造原子彈的擔心特別強烈。
1939年，移居美國的匈牙利物理學家利奧·西拉德為此事拜訪了住在長島的愛因斯坦。愛因斯坦覺得有責任把科學家們的擔心告訴美國政府的決策者，於是向羅斯福總統寫了一封信。羅斯福採納了愛因斯坦的建議，支持研究原子彈的工作，並下令成立一個鈾顧問委員會。1941年12月，太平洋戰爭爆發後，美國政府認識到，為了儘快造出原子彈，使之在戰爭中發揮作用，就必須把有關的研究力量集中起來。次年8月1日，“曼哈頓計劃”因此出籠。
負責該計劃的美國陸軍工程兵團建築部副主任萊斯利·格羅夫斯將軍採取了一系列強有力的措施，主要有：迅速建立高度集中的領導核心，成立包括他在內的3人委員會，由總統科學顧問布什任主席；優先解決鈾礦石的供應問題，美國迅速通過交涉控制了當時最重要的鈾礦石產地比屬剛果；集中歐美最優秀的科學家，促使他們聯合起來與德國競爭。
這些人中包括意大利著名的核物理學家恩里科·費米，1942年12月他指導建成了世界上第一個實驗型原子反應堆，成功地進行了第一次可控的鏈式反應。在研製原子彈的工作中，貢獻最大的當屬羅伯特·奧本海默（1904～1967）。奧本海默負責設計和製造實戰用的原子彈，他的實驗室設在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯。他以自己的智慧、高超的組織協調能力和忘我的工作精神贏得了同事的敬重。1945年7月16日，在新墨西哥州的一片沙漠地帶，他們研製的第一顆原子彈爆炸成功。
原子彈的研製是一項危險的工作，為檢驗原子彈的實戰性能，要做大量艱鉅而又充滿危險的實驗。這不僅需要忘我的工作，還需要犧牲精神。加拿大著名科學家斯羅廷負責主持原子彈引爆試驗工作。一天，他正在實驗室裡藉助螺絲刀在軌道上用兩塊亞臨界鈾做臨界質量實驗。實驗中，螺絲刀突然掉了，兩塊鈾滑到一起，發出可怕的炫光。
根據物理原理，兩塊鈾合成一塊大於臨界質量的鈾時，就會發生核爆炸。斯羅廷毫不猶豫地用雙手掰開剛剛滑到一起的鈾塊，從而避免了一場災難。可是，他卻因此受到了致命的核輻射。幾天後，他就離開了人間。人們為了表彰這位科學家的獻身精神，稱他為“用雙手掰開原子彈的人”。
“曼哈頓計劃”在某種程度上，是20世紀美國科學技術發展的一個縮影。美國總是不斷地從世界各地吸引最優秀的人才。當然，要使用國內和國外的優秀人才，還需要有相應的使用人才的體制，否則人才不會集中到這兒來，來了也發揮不了作用。20世紀里美國形成了這樣一種體制，包括對人才的選拔、評估、資助等等的體制，這種體制能真正發揮那些把學術成就視為生命一部分的學者的特長，從而確保美國科學技術在世界上的領先地位。在一個缺乏發明創造和探索精神氛圍的國家裡，是不可能形成這樣一種體制的。
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