机构建设与第二次科学革命

19世纪末，美国受德国的影响建立了两所研究型大学即约翰-霍普金斯大学和芝加哥大学，对推动美国科学的发展起到了很大的作用。这两所大学不仅要求教授们既要教学也要做研究，还引进了德国的讨论班制度，用来培养研究生并激发教授们的研究。而位于美国西部的加州理工学院和加州大学更是异军突起，在企业和慈善基金会的支持下，以交叉学科为突破点，抓住第二次科学革命，成为美国在20世纪二三十年代赶超世界科学先进水平的生力军（Agar，2012）230—231。

新兴产业中，电器和化工公司也建立起一批以基础科学研究促进高阶技术发展的工业实验室，例如通用电器实验室、杜邦实验室、贝尔实验室等，对产、学、研都起到了推动作用，并且推动了它们之间的整合。同样重要的是在这段时期，美国新近崛起的企业家和慈善家增加向大学等研究机构的捐赠，并设立以科学、教育为导向的基金会（如洛克菲勒基金会），同时通过资助大学科研和资助向欧洲选派的留学生及博士后，大大促进了美国高等教育和科学的发展（赵佳苓，1984）。通过与工业和慈善机构的联系，美国科学早在第二次世界大战之前就已经走入大科学时代。

除了在机构建设上大力投入，美国科学在20世纪初的发展正好赶上了当时蓬勃兴起的以物理学革命领头的第二次科学革命，尤其是量子力学革命，这为它赶超世界先进水平提供了一个良好的时机（Coben，1972）。当美国物理学家拉比、奥本海默（J.RobertOppenheimer）、康敦（Edward Condon）、尤里（Harold Urey）在欧洲各大学攻读博士学位或进行博士后研究的时候，量子力学刚刚在那里诞生，所以他们与欧洲的物理学家们一起，不仅迅速掌握了这个新的革命性理论，而且很快就用它来研究众多相关领域中的问题并取得令人瞩目的成就。例如，拉比用量子力学理论解释了核磁动量的实验，并且在德国物理学家斯特恩（Otto Stern）的实验室里设计、进行了一个巧妙的关于核磁共振的新实验。奥本海默把量子力学应用到天体物理学，并揭示出黑洞的存在。

拉比和奥本海默在20世纪20年代末回到美国以后，马上成为美国东西海岸两个年轻的物理学领军人物，而且分别成为美国实验和理论物理学的代表人物，为美国物理学的发展创建了两个影响深远的学派。他们的众多学生后来成为第二次世界大战中曼哈顿原子弹工程和雷达工程的骨干，其中也出现了不少战后美国物理学的领军人物。

图2-1　劳伦斯、西博格（Glenn Seaborg）、奥本海默（1946年）

美国劳伦斯国家实验室照片，摄影师未详。来自维基共享网站，https：//commons.wikimedia.org/wiki/File：HD.4G.011_%2810405626024%29.jpg，公用领域作品，2016年1月下载。

另一位年轻的美国物理学家劳伦斯（Ernest Lawrence）的经历则证明了美国物理学到了20世纪30年代已经可以不用依靠到欧洲留学也能做出世界级的突出成就。美国本土培养出来的劳伦斯，在20世纪30年代成功研制出的回旋加速器成为此后研究核物理学和粒子物理学的利器，也为美国物理学和劳伦斯争得世界荣誉。劳伦斯于1939年被授予诺贝尔物理学奖。很快，回旋加速器成为衡量一个国家、一个物理学研究机构仪器水平的重要标志，而劳伦斯和他在加州大学伯克利分校的同事们也成为在世界上推广加速器的大使，不遗余力地向世界各地的研究机构和研究者们介绍并帮助建造回旋加速器。在此过程中也显著提高了美国物理学的国际声誉，并吸引了大量的物理学家从世界各地到美国来学习物理学。

劳伦斯和奥本海默的经历对比也说明了美国当时人才政策的成功之处。20世纪30年代两人同时在伯克利物理系任教（奥本海默还在加州理工学院兼职），而伯克利并没有因为劳伦斯没有欧洲留学背景（本科上的还是一个不知名的南达科他大学）而对他有所歧视，反而大力支持两人的物理学研究。当然，美国当时（以及后来）的人才政策并不是由联邦政府主管，而是由大学自主决定。无论是公办的州立大学（如加州大学）还是私立的大学（如加州理工学院）都有很大的自主权，而且都大量使用私人捐款和基金来资助大学的教授进行科学研究。

与美国物理学的崛起相似和相关的是美国化学的异军突起，而在这方面最突出的代表人物是鲍林（Linus Pauling）。与美国物理学和奥本海默的关系类似，美国化学和鲍林的经历说明了美国20世纪初科研机构建设、跨国和交叉学科交流及抓住新兴学科所带来的机会的重要性。鲍林在加州理工学院学习化学，其博士学位论文是关于用X射线来检测晶体结构。毕业后鲍林就得到古根海姆（Guggenheim）基金会的资助于1926年到欧洲访学。尽管鲍林主要是一位化学家，但他在欧洲访学的目标主要是当时的新物理学，尤其是新量子力学产生的重地和物理学家：位于慕尼黑的索莫菲尔德（Arnold Summerfeld），位于哥本哈根的玻尔（Niels Bohr）和位于苏黎世的薛定谔（Erwin Schroedinger）等。在这些地方，鲍林不仅学习了量子力学，而且从他自己的化学背景出发一下子就认准了量子力学对化学的基础作用。在苏黎世，他看到了物理学家海特勒（Walter Heitler）和伦敦（Fritz London）如何用量子力学来分析氢分子中的化学键，马上决定把这作为自己的研究领域，并在1927年回到加州理工学院任教之后开始一系列研究。1939年，鲍林出版了在量子化学领域的奠基之作——《化学键的本质》，并获得1954年诺贝尔化学奖（Hager，1995）。(www.xing528.com)

图2-2　鲍林（1954年）

美国国会图书馆照片，摄影师未详。来自维基共享网站，https：//commons.wikimedia.org/wiki/File：Pauling.jpg，公用领域作品，2016年1月下载。

美国科学在20世纪初的崛起不仅限于物理学和化学，其实美国第一个领先世界的学科是天文学，而这主要归功于美国企业家、慈善家所设立的基金会的资助，以及美国天文学家及时抓住了天文学中新兴学科——天体物理学。这个研究的核心人物是海尔（George E.Hale），19世纪末，他在芝加哥大学任教时说服当地的一个街车和铁路大亨亚克斯（Charles T.Yerkes）资助修建了一座天文台。亚克斯天文台的新颖之处在于，它的天文仪器不是为了用肉眼观察天体，而是为了用照相机和光谱仪记录天体现象，从而为天体物理学提供资料。例如，亚克斯天文台的折射望远镜有40英寸的焦距，是当时世界最大的。海尔还发明了其他天体物理学仪器，并在1895年创办《天体物理学杂志》。后来海尔转到了加州理工学院，并说服慈善家们——尤其是钢铁大王卡内基——资助修建了附近几座天文台并配备了望远镜。其中最有名的当属建在洛杉矶北面的威尔逊峰天文台，其100英寸反射望远镜在1917年建成，为当时世界最大，其国际轰动效应不逊于20世纪后半期各国在空间计划和高能物理方面的竞争。而按照科学史学家基昂·阿伽（Jon Agar）的研究，“100英寸的威尔逊峰望远镜安装完成之后，20世纪所有重大天文学争论都主要是在美国仪器所观测的数据基础上得到解决的”，包括爱德温·哈勃（Edwin Hubble）在20世纪20年代利用威尔逊望远镜获得支持爱因斯坦广义相对论和大爆炸宇宙学的观察数据（Agar，2012）。

同样，美国生物学的发展也在物理学之前，主要得益于国内的科研教育机构建设的大发展，并利用了学科本身的革命性进展，从而一跃进入世界领先地位。19世纪末、20世纪初的医学院以强调研究为导向的改革大力促进了生物学科的发展，而洛克菲勒基金会等慈善机构专门设立了针对生物学、医学的大学资助计划和奖学金，包括选派留学生到欧洲留学，都对美国生物学的发展起到了推动作用。为什么这些慈善家们对生物学、医学和天文学情有独钟？历史学家阿伽认为这是因为这些学科的发展受到公众的极大关注，所以资助这些学科可以有效提升他们的社会声望（Agar，2012）164。

同时，遗传学作为一个新兴学科的蓬勃发展也为美国生物学赶超世界先进水平提供了一个有利条件。当然，与物理学一样，美国生物学的发展也得益于与国际科学界的交往。例如美国生物学家、近代遗传学的主要奠基人之一摩尔根（Thomas Morgan），在1894—1895年到意大利拿波里（Naples）的动物学实验室访问研究，并与德国生物学家德里士（Hans Driesch）交流，受其影响把生物学研究方向从描述性的形态学转向注重解释的以物理、化学为基础的实验胚胎学。摩尔根回美以后，在重新发现的门德尔遗传学理论基础上，以果蝇为重要研究工具，研究染色体在遗传中的作用，从而奠定了现代遗传学的基础。从机构建设来讲，摩尔根先是在哥伦比亚大学后在加州理工学院建立起两个遗传学的重要中心，极大地推动了美国生物学的发展。摩尔根在1933年获得诺贝尔生理学或医学奖，而他在加州理工学院所创立的生物学部后来成就了另外7个诺贝尔奖获得者（Allen，1978）。

而鲍林在开拓量子化学的同时，受到洛克菲勒基金会科学主管韦弗（Warren Weaver）的影响并在该基金会资助下，继续他的交叉科学方向研究，逐渐把研究重点转向生物大分子，用他本来就熟悉的X射线衍射法来研究生物分子结构，取得极大进展。在这个过程中，鲍林得益于他1930年到德国访问法本公司的科学家马克（Herman Mark）时所了解到的一些新兴X射线衍射应用到大分子结构上的技术（Agar，2012）246-248。这里还值得一提的是，到了20世纪40年代末，中国留学生唐有祺成为鲍林的研究生，为他拍摄X射线衍射图，但中华人民共和国成立之后，尤其是朝鲜战争爆发以后，唐有祺归国心切，在1950年拿到博士学位之后于1951年回国，这可能对鲍林的研究计划有一定影响。^[1]最终是位于英国剑桥大学卡文迪什实验室的来自美国的博士后沃森（James Watson）和英国人博士研究生克里克（Francis Crick）在伦敦国王学院富兰克林（Rosalind Franklin）衍射图的基础上，于1953年成功破译生物遗传基因DNA的双螺旋分子结构。但鲍林的研究对分子生物学发展、对DNA结构的破译仍然有贡献，他的另一位学生唐纳修（Jerry Donahue）1953年正好在卡文迪什实验室做博士后。因此，唐纳修在沃森和克里克工作的最后关键时刻指点迷津，帮助他们成功破译了DNA分子结构（Watson，1968）（Kay，1993）。^[2]

美国科学，尤其是理论科学在20世纪初的崛起还得益于美国加强了数学教育。科学史学家塞尔沃斯（John Servos）的研究表明，美国在19世纪末期虽然在纯数学的研究上有极大的进步，但数学教育从中学到大学却都在走下坡路，尤其是与物理和化学等相关的应用数学受到忽视，导致美国科学家大都转向实验科学而远离理论。美国理化方面的留学生一到欧洲就感到数学知识储备不足，学习和研究都十分吃力。到了20世纪初，美国科学家普遍认识到新科学革命中数学理论的重要性，再加上美国数学教师联合会的大力推动，美国从中学到大学都加强了数学教学，尤其是应用数学的教学，从而培养出新一代年轻的科学家。比如奥本海默和鲍林都在数学上得到比较好的训练，从而能够在20世纪20年代到欧洲留学时学到最新的量子力学并回国以后在20世纪30年代建立起自己的理论学派（Servos，1986）。