一個科學的共和國
Photograph courtesy of the Thomas Jefferson University College of Graduate Studies, Philadelphia, Pennsylvania
美國誕生於啟蒙運動時代(約1680-1800年)，這一時期的作家和思想家拒絕接受過去的迷信思想。相反他們強調理性的力量和無偏見的探索，特別是對自然界活動的探索。啟蒙運動的哲學家們憧憬"一個科學的共和國"，在那裏，思想可以自由地交流，實用的知識將改善全體居民的命運。
美國自獨立以來，一直鼓勵科學和發明。它做到這一點的方法是促進思想的自由流通，鼓勵"實用知識的發展和歡迎來自世界各地的行創造力的人才。
《美國憲法》本身即反映了這種鼓勵科學創造的願望。它授權國會，"為促進科學和實用技藝的進步，對作家和發明家的著作和發明在一定期限內給予專利權的保障"這一條款構成了美國專利及版權制度的基礎，它可確保在創造者未得到某種補償的情況下，他們的發明及其他作品不會被抄襲或應用。
適於科學發展的良好氛圍
在美國歷史的最初幾十年中，美國與歐洲處於相對隔絕的狀態，而且也很貧困。儘管如此，它仍是發展科學的好地方。美國的科學與人民的需要緊密相連，而且沒有歐洲人的偏見。
美國的開國元勳中有兩位是享有盛名的科學家。班傑明．佛蘭克林進行了一系列試驗，加深了人類對電的認識。在其他試驗中他證明了一條過去一直為人們所懷疑，但始終未揭示的道理：閃電是電的一種形式。佛蘭克林還發明了一些方便的用品，如雙光眼鏡和一種以他的名字命名的爐子(富蘭克林爐子可裝入壁爐內，並將熱量傳入鄰近的房間內)。
托瑪斯．傑婓遜是位農學家，他為新世界引進了各種各樣的稻米油橄欖樹和牧草。他強調了劉易斯和克拉克探險(1804-1806年)的科學成就，他們對太平洋西北岸地區進行了考察，而有關這一地區動植物的詳細而系統的資料，更是這次探險的遺產之一。
與佛蘭克林和傑斐遜一樣，大多數18世紀晚期的美國科學家都參加了爭取美國獨立和建立新國家的鬥爭。這些科學家包括天文學家戴維．里騰豪斯、醫學家班傑明．拉什和自然史學家查爾斯．威爾遜．皮爾。
在美國革命期間，里騰豪斯幫助設計了費城的防禦工事，並為美國的軍事部門建造了望遠鏡和導航儀器。獨立戰爭後，里騰豪斯為賓夕法尼亞州設計了道路和運河系統。他後來重操舊業，研究恒星和行星，並在這一領域卓譽世界。
在美國革命戰爭期間，班傑明．拉什作為軍醫局局長，通過倡導衛生與公共健康行為挽救了無數戰士的生命。他採用新的療法，使費城的賓夕法尼亞醫院成為醫學啟蒙運動的典範，退役後，拉什建立了美國第一家免費診所。提起查爾斯．威爾遜．皮爾，人們首先會想到他是一位畫家，其實，他也是自然史學家、發明家、教育家和政治家。他創建了美國第一座大型博物館，即費城的皮爾博物館，館內收藏有這個年輕的國家唯一的北美自然史樣品。皮爾在紐約州西點附近挖掘出一具古代乳齒象的骨頭。他用了三個月的時間將這副骨架組裝在一起，然後在他的博物館內展出。皮爾博物館開創了使大眾對科學知識感興趣，並可以接觸這種知識的美國傳統。
美國的政治領袖熱衷於求知，這也有助於確保來自其他國家的科學家受到熱烈歡迎。英國化學家約瑟夫．普里斯特利是一位著名的早期移民，他因持不同政見而被自己的祖國驅逐出境。普斯特利於1794年來到美國，在數千名移居新大陸以尋求自由和可發揮創造力的環境的才華橫溢的科學家中他是個拓荒者。後來來美國的其他科學家包括德國理論物理學家阿爾伯特．愛因斯坦，1933年來到美國；恩里科．費密，1938年從義大利來到美國。實現了世界上首次自持鏈式核反應；弗拉基米爾．K．茲沃爾金，1919年離開俄國，後來發明了電視攝像機。
其他科學家來美國是為了參與這個國家突飛猛進的發展。亞歷山大．格雷姆．貝爾於1872年離開蘇格蘭經加拿大來到美國，研製出電話和與之相關的發明，並獲得了這些發明的專利。查爾斯．P．施泰因梅茨1889年從德國來美，在通用電氣公司研製了新型交流電系統。後來，其他科學家被美國現代化的研究設施所吸引而趨之若鶩。在20世紀初的幾十年中，在美國工作的科學家們可以指望得到豐厚的物質報酬，在知識方面也會大大受益。
美國的技術
19世紀，英國、法國和德國處在科學和數學新思想的前沿。如果說美國在理論構想上落在後面的話，那它在利用理論解決實際問題的應用科學方面卻是出類拔萃的。這一傳統的產生源於需要。由於美國人生活在遠離西方科學和製造業源泉的地方，他們往往必須勾勒自己的行為方式。於是，美國人將理論知識與"楊基式的智慧"相結合，結果是重要的發明接踵而來。偉大的美國發明家包括羅伯特．富爾頓(汽船)；塞繆爾．F．B．莫爾斯(電報)；伊萊．惠特尼(軋棉機)；賽勒斯．麥考密克(收割機)；和他們中最多產的一位，托瑪斯．阿爾瓦．愛迪生，有一千多項發明應歸功於他。
愛迪生並非總是某一科學裝置的始作俑者，但是，他經常把某種設想變為實用的製成品。例如，英國工程師約瑟夫．斯旺於1860年製作了一個白熾燈泡，比愛迪生幾乎早了20年。但是，愛迪生的燈泡性能更好。愛迪生的燈泡的使用壽命要比斯旺的燈泡長得多，而且可以分別開和關，而斯旺的燈泡只能在一個系統內使用，幾隻燈泡要同時開或關。愛迪生在改進了燈泡後，又研製出一些發電裝置。在30年內，他的發明使電燈走進了千家萬戶。
科學設想實際應用的另一個里程碑式的實例是威爾伯和奧維爾．萊特兄弟的發明。1890年代，他們對德國人的滑翔機試驗著了迷並開始了他們自己對飛行原理的研究。萊特兄弟將科學知識與機械技術相結合，建造了幾架滑翔機並駕機滑翔。後來，在1903年12月17日，他們成功地試飛了第一架重於空氣並由機械推動的飛機。
1947年，美國出了一項發明，當時還鮮為人知，但它卻進而開創了一個資訊共享的新時代。那年，貝爾實驗室的約翰．巴丁、威廉．肖克利和沃爾特．布拉頓利用非常複雜的理論物理學原理發明了電晶體，這種電晶體體積很小，可以取代體積很大的真空管。由於電晶體和10年後發明的另一種裝置，積體電路的問世，從此可以在微小的容器內裝入大量的電子線路。結果使今日書本大小的電腦在功能上可越過1960年代房間大小的電腦，人們的生活方式 他們的工作、學習、經營和從事研究的方式 ― 發生了一場革命。
20世紀後半葉，美國的科學家開始在他們的實用發明和應用以外的領域中聞名於世。突然之間，他們因其對"純"科學、概念和理論的構想而得到了承認。這種模式的變化可在諾貝爾物理和化學獎得主中略見一斑。20世紀上半葉(從1901至1950年)，美國在科學類諾貝爾獎中的獲獎者可謂鳳毛麟角。而自1950年以來，諾貝爾獎科學類獎的近一半得主均是美國人。
原子時代
美國技術界一項最輝煌，也是最有爭議的成就是對核能的利用。導致原子裂變的思想是許多國家的科學家共同提出的，但將這些設想轉變為核裂變現實的則是1940年代初美國科學家的成就。
在1938年德國物理學家分裂了一個鈾核後，阿爾伯特．愛因斯坦、恩里科．費密和列奧．齊拉特得出結論認為鏈式核反應是可以實現的。愛因斯坦在致佛蘭克林．羅斯福總統的信函中發出警告。說這一突破可導致製造"威力極其強大的炸彈"。他的警告促成了"曼哈頓計劃"。即美國準備首先製造原子彈的工作。這一計劃取得了成果。1945年7月16日，第一顆原子彈在新墨西哥州爆炸。
原子彈的研製及其1945年8月針對日本的爆炸，開創了原子時代。在這個時代，對大規模毀滅性武器的擔憂從整個冷戰時期一直延續到今天反對核擴散的努力。但是，原子時代的特點還在於和平利用原子能，如核電與核醫學。
1956年，第一座美國商用核電廠在伊利諾州開始運轉。當時，美國的核能前景顯得一片光明。但是，反對者對核電廠的安全問題提出了批評，並對是否能確保核廢料得到安全處理表示質疑。1979年，賓夕法尼亞州三里島發生的事故使許多美國人轉而反對核電的利用。建造核電廠的費用上漲，其他更經濟的電力來源開始顯得更有吸引力。1970和1980年代，幾家核電廠的計劃被取消了，在美國，核電仍是前途未卜。
與此同時，美國的科學家一直在試驗其他可再生能源，其中包括太陽能。儘管太陽能發電在美國許多地方仍顯得不太合算，但近來的兩項發展可能使它的價格變得容易接受些。
薩布汗都．果哈是密歇根州特洛伊的美國太陽能系統公司執行副總裁，1994年他曾宣講過一次太陽能的好處，並展示了一張在屋頂排列的太陽能電池的圖片。聽眾中有一位建築師說道："但是，它是那麼的難看。有誰想把它安裝在屋頂上呢?"這番話使果哈想到了怎樣使光電池看上去更像屋頂的問題，而不能光想到將太陽能電池裝在伸向空中的框架上。
兩年後，果哈的創新產品組裝成功 ― 可以直接釘在屋頂上的太陽能蓋板。這些蓋板是用不誘鋼板製成的，上層塗了九層矽(一種半導體薄膜)和保護性塑膠。蓋屋頂的人在安裝這種蓋板時就像他們裝普通屋頂那樣，只不過要為每塊蓋板上的導線在屋頂上鑽個孔。一般說來，一間房屋的屋頂上只要有三分之一裝上這種太陽能蓋板，便可以在陽光燦爛的日子裏得到足夠的能源，滿足全部電力需求。果哈認為，他的蓋板在美國某些地區將是合算的，而它們在日本的前景甚至更為看好，因為日本的能源價格昂貴，而且政府為太陽能提供補貼。
1996年，另一項名為"太陽2號電廠"的太陽能發明完成，並開始在加州的莫哈韋沙漠運轉，產生的電力足夠10,000個家庭使用。在一個38公頃的場地上，近2,000個巨大的反光鏡指向一個90米高的"發電塔"，它是將熔鹽加熱，然後流向一個轉動汽輪機的蒸汽發電機。與水相比，熔鹽儲存熱能的效率更高，"太陽2號"的支持者認為，這項創新技術可使大型商用發電廠在陽光充沛和能源價格昂貴的地區具有經濟可行性。
太空時代
與原子時代幾乎同時來到的是太空時代。美國人羅伯特．H．戈達德是最先試驗火箭推進系統的科學家之一。戈達德在其麻塞諸塞州伍斯特的一個小實驗室內，研究用液氧和汽油推動火箭進入大氣層。1926年，他成功地發射了世界上第一個液體燃料火箭，火箭的飛行高度達125米。在隨後的10年中，戈達德的火箭達到了近兩公里這一適中的高度，美國、英國、德國和蘇聯對火箭技術的興趣越來越濃。
可消耗的火箭可作為發射人造衛星和載人航天器的工具。1957年，蘇聯發射了第一顆衛星，"人造地球衛星1號"，而美國隨後於1958年發射了"探索者1號"人造衛星。最初的太空飛行是1961年春天由蘇聯宇航員尤里．加加林首先完成的，隨後則由美國宇航員小艾倫．B．謝潑德完成。
從這些最初的試驗性步驟到1969年的登月，直至今日可重複使用的太空梭，美國的太空計劃在應用科學方面取得的成果令人興奮。通訊衛星傳輸電腦資料、電話和電臺以及電視臺播放的節目。氣象衛星提供必要的資料，對特大暴雨發出早期警報。太空技術已產生出成千上萬種日用產品
― 從跑鞋中用的輕型材料到醫院中用的呼吸監視器一應俱全。
醫學與衛生保健
做物理學和化學一樣，自第二次世界大戰以來，美國人一直稱雄於諾貝爾心理學和醫學獎。在這一成就中發揮了重要作用的是國家衛生研究院，它是美國生物醫學研究的中心。該研究院包括24個獨立的研究所，在馬里蘭州貝塞斯達120多公頃的土地上有75座建築，它的預算在1997年已達130億美元。
國家衛生研究院的研究目標是幫助預防、查找、診斷和治療疾病和殘疾(從遺傳疾病到一般感冒的所有疾病)的知識。在一段既定的時間內，該研究院撥款支助在美國各州和其他幾個國家工作的約35,O00名主要的研究人員。接受支助者中有91人是諾貝爾獎獲得者。五位諾貝爾獎得主在國家衛生研究院的實驗室中完成了他們獲獎的發明。
國家衛生研究院的研究使大量醫學成就得以產生。例如，美國頭號殺手心臟病的死亡率，在197l至1991年間下降了41％。同一時期，中風的死亡率下降了59％，癌症的死亡率在199l和1995年間下降了近3％，這是自1930年代有全國性記錄以來的首次持續下降。今天，兒童癌症患者有70％以上已經治癒。
在國家衛生研究院的幫助下，分子遺傳學和基因組研究使生物醫學發生了重大的變化。1980和1990年代，研究人員在人身上首次試驗基因療法，他們現在已能對人類基因組中許多基因的功能進行定位、識別和闡述。科學家預計，這一新知識將導致對懷疑患有結腸癌、乳腺癌及其他癌症的人進行基因測試，而最終可導致研製出對已知高危家庭中的成員進行治療的預防藥物。
美國正在進行的科學研究中，國家衛生研究院的人類基因組計劃可能最令人激動。它試圖通過對構成人體的所有5萬至10萬個基因的化學結構進行分析，繪製一幅人類基因圖。該計劃預期15年完成，費用至少為30億美元。
各大學、醫院和公司進行的研究也為改善疾病的診斷和治療作出了貢獻。例如，國家衛生研究院為獲得性免疫缺陷綜合症(艾滋病)的基礎研究提供了資金，但許多用於治療艾滋病的藥物卻出於美國製藥業的各個實驗室。美因各地的研究小心正在對這些藥物進行測試。
蛋白酶抑制劑是一種有希望抗艾滋病病毒的藥物。經過幾年的實驗室測試。蛋白酶抑制劑於1994年首次在美國應用于患者。首批檢驗(對20人一組的志願人員)中的一次顯示，這種藥不僅使患者血液中的病毒數量幾乎減至為零，而且使患者的免疫系統迅速恢復，速度之快出乎所有人的意料。
醫生們在"結合療法"中將蛋白酶抑制劑與其他藥物結合使用。儘管結果令人鼓舞，但結合療法並不能治癒艾滋病，迄今為止。它只在血液中有效；它無法到達潛藏病毒的人體其他部位 ― 大腦、淋巴結、脊髓液和男性睪丸。科學家們繼續試驗結合療法及其他治療艾滋病的方法，同時也在尋找最終解決方法 ― 一種針對艾滋病的疫苗。
重在預防
美國醫學界在疾病的診斷和治療上已取得了長足的進展，而美國公眾也更多地認識到了疾病與個人行為之間的關係。自1964年美國衛生局長首次就吸煙的危險向美國人發出警告以來，美國吸煙人數已從近50％下降到大約25％。在美國大多數公共建築或旅行乘坐的火車、公共汽車和飛機，已不再允許吸煙，而大多數美國飯店也劃分出吸煙區和非吸煙區。研究結果表明、肺癌發病率大幅度下降與全國吸煙人數減少有關。
美國聯邦政府還鼓勵美國人經常鍛練身體，吃有益於健康的食品，包括大量的水果蔬菜。今天，40％以上的美國人將鍛練身體或參加一項體育運動作為日常生活的一部分。自1970年以來，水果和蔬菜的平均消費量已增加了約20％。
唐娜．E．沙拉拉是克林頓政府的衛生與公眾服務部長，她經常大聲疾呼支援科學研究和預防醫學。1996年她在一次醫學和公共衛生專業人員的會議上說： "我們必須繼續破譯基礎科學中不斷增加的神秘現象，它們隨著時間的推移在那些重大發現中凸現出來。但是，我們的網必須撒得比這更大。它必須包括行為研究、職業研究、衛生服務和結果研究，以及環境研究 ― 所有這些研究都有可能預防疾病，並且有助於美國人享受更有益於健康的生活。"
從最初的試驗性步驟到1969年的登月，直至今日可重複使用的太空梭，美國的太空計劃在應用科學方面取得的成果令人興奮。
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