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美国建成世界科技强国历时200多年，先后经过引进、创新和引领3个阶段，从一个依赖引进欧洲技术、人才的国家，到建立了独立的科学体系，成为科技创新大国，进而成为创新强国，从学习、吸收别国的科技成果，到成为引领世界科技发展的科技强国，并形成了世界科技霸权。
第一，引进阶段：完善创新体系。美国最早的科学技术主要源于欧洲，南北战争结束后，美国科技才逐步从欧洲的体系中独立出来。但当时美国的科技工作者进行的大都是业余爱好者的描述性研究、应用性研究。直到18世纪，本杰明·富兰克林关于电荷的研究才开启了真正意义上的科学研究工作。1862年，美国国会通过《莫利尔法案》，建立赠地学院，这是美国科学史上的一个里程碑。1876年，约翰斯·霍普金斯大学成立，提出要把研究生教育和学术研究放在第一位，使美国有了研究型大学。但直到19世纪末，美国的科学技术研究仍然是以应用性研究为主。20世纪初，美国开始强调科学的本土化，力争从欧洲科学中独立出来。1907年，美国人获得第一个诺贝尔物理学奖，这成为美国科学史上的又一个里程碑，标志着美国科学技术在某些领域已经具有优势，美国科学走向自立，并出现了一批世界级科学家。
第二，创新阶段：成为科技大国。1929年的金融危机使美国科技迎来了一次新的机遇，因为没有科技的发展，美国就不可能形成新的产业，科技企业推动了新一轮的经济增长。罗斯福新政使美国经济发展对科技产生了巨大的需求，美国开始研发和培养大量的技术和人才，同时自主开发一些小的产品。
第三，引领阶段：成为创新强国。第二次世界大战是美国科技发展的又一个转折点。一是联邦政府成为支持科学技术研究的主要角色。二战期间，原子弹、飞机、雷达、青霉素等科技成果帮助美国赢得了战争的胜利。战争使联邦政府明白，发展国防科技是联邦政府的责任。二战以前，科学研发是爱好者的自发行为和大学的事，联邦政府没有支持科学发展的职责。在二战后的10多年间，美国政府完善了现代科学技术体系，奠定了科技发展的基础。二是美国利用欧洲出现战乱的时机，大量抢夺欧洲顶尖人才，使人才中心在短短几年内从欧洲搬到了美国，从此之后美国牢牢地占据了世界人才中心的地位，为世界科技中心的形成奠定了坚实的基础。三是成立了国家科学基金会，为人才引进提供了科技经费，这是美国科学史上又一个重要的里程碑，也是转折点。1945年，范内瓦·布什向美国总统提交了一份名为《科学：无尽的前沿》的报告，这个报告提出了许多创新战略，包括：科学进步对于国家安全、公共福利必不可少；基础研究是一切知识的源泉；科学需要保持相对的自主性和探索的自由；推进科技发展是政府的职责，并建议成立国家科学基金会。这份70多年前的报告至今仍具有指导意义，为二战后乃至如今美国的科技政策奠定了基础。
美国作为科技强国已经具有明显的创新优势，营造了全球吸引力最强的创新生态，形成了“人才虹吸效应”，优秀人才争先恐后地涌向美国。美国的创新优势主要表现在8个方面。
美国拥有全球70%以上的诺贝尔奖获得者、50%以上的菲尔兹奖得主。爱思唯尔2022年公布的“全球顶尖科学家排名”显示，标注美国的科学家有78 014名，占总收录人数的39.88%；标注中国的科学家有7 795名，占总收录人数的3.98%。
世界政治、经济、外交、军事中心总是随着科技中心的转移而转移，而科技中心则随着人才中心转移，得人才者得天下。
大学是造就人才的地方，更是重大原始创新的源头，中美科技最大的差距是顶尖大学数量的差距。2022年QS世界大学排名显示
，在全球最顶尖的20所大学中，美国有10所，占50%；中国的清华大学、北京大学第一次进入前20名，但从创新实力分析，清华大学、北京大学的高端科研仪器大多是引进的，部分顶尖教师也是引进的。
政府研究体系、大学、企业研究体系组成的强大创新体系是科技强国的基础。美国科技界有一句通俗的话，即“上帝的归上帝，魔鬼的归魔鬼”，也就是说政府与企业、大学在科技研究中的责任分工十分明确。政府不负责支持竞争中的技术研究，这部分研究有适用的市场机制，由企业去完成。政府主要负责基础研究、公益性研究和一些重大的科学工程，比如曼哈顿计划、阿波罗登月计划、人类基因组计划，这些重大计划都是人类科学史上的里程碑，极大地推动了人类科技的发展与社会的进步。企业主要负责应用技术的创新，例如苹果手机、计算机网络软件、特斯拉汽车等，这些都是企业的创新行为。大量世界领先的高科技企业是美国科技战争中的野战军，更是美国成为世界科技强国、经济强国的重要支柱。大学的使命就是进行原始创新和重大的技术发明。研究型是美国大学的一个重要特征，大学不仅仅是培养人才的地方，更是重大原始创新的发源地、高科技产品的发祥地。
此外，美国拥有全球最顶尖的实验室，包括劳伦斯伯克利实验室、林肯实验室、加州理工学院喷气推进实验室、洛斯阿拉莫斯实验室、布鲁克海文实验室、橡树岭实验室、贝尔实验室、阿贡实验室、IBM研究实验室等。
美国科学论文、发明专利的数量均居世界第二位。世界知识产权组织发布的《全球创新指数2022》显示，美国创新指数仅次于瑞士，居世界第二位，但美国是当今世界的科技中心，其综合创新能力明显领先于瑞典、英国、荷兰等国。
科技领域的论文是衡量一个国家科技实力的重要指标。日本科技政策研究所最新发布的《科学技术指标2022》显示，中国不仅在论文数量上是世界第一，在高质量论文等指标上也是世界第一，其中引用数进入前1%的顶尖论文也超越了美国。从数量来看，中国顶尖论文的数量为4 744篇，超过美国的4 330篇；从份额来看，中国占27.2%，美国占24.9%，明显超过居第三位的英国（5.5%）。世界知识产权组织公布的报告显示，2021年美国依然是仅次于中国的全球第二大“PCT（《专利合作条约》）专利申请国”，申请数量为59 570件，全球占比21.5%。但在2019年之前，美国长期都是该领域的最大申请者，占据主导地位，全球90%以上的应用科技创新都离不开硅谷的技术支持，世界三大统计分析软件全部源自美国。
在世界经济论坛发布的全球最具创新力的十大公司中，美国拥有7家。
英特尔公司、微软公司、甲骨文公司占据了信息产业基础市场，在军工、航空航天、医学、信息等高科技领域，美国也以无可匹敌的实力和压倒性的技术优势雄踞世界之首。欧盟发布的《2020年欧盟产业研发记分牌》显示，2019年全球研发投入最大的2 500家企业的研发投入合计达到9 042亿欧元，占全球商业部门研发投入的90%，占全球总研发投入的比重超60%。在这2 500家企业中，美国以775家名列榜首，中国以536家排名第二。
美国是世界上科技投入最多的国家，也是研发投入占GDP比重最高的国家之一。美国能够长期保持世界科技强国的地位与强大的科技投入体系有不可分割的关系。美国建立了政府、企业、风险投资、个人捐赠、国际合作等多元的科技投入体系。根据经济合作与发展组织等机构在2021年公布的数据，从各国具体的研发支出来看，美国持续位居全球第一，2019年为6 127亿美元，中国自2015年起稳居全球第二，2019年为5 148亿美元。另外，美国的军费还有相当一部分用于科研。
美国的风险投资规模居全球第一，风险投资公司不怕投资失败，就怕技术不领先，这样的风险投资体系在许多国家短期内是难以形成的。美国国家风险投资协会的一份报告显示，在流动性过剩和宽松货币政策的推动下，美国的风险投资规模在2021年达到了近3 300亿美元的历史最高水平；风险投资公司加大了对科技、生物技术、医疗保健和金融科技行业的押注，2021年共宣布了创纪录的17 054宗交易。
美国拥有世界上最大的科技金融体系，这是科技成果不断涌现的重要原因。与其他国家相比，美国的风险投资更集中于高科技行业。美国国家风险投资协会的数据显示，美国对计算机软硬件、生物、医药、通信等高新产业的投资比重高达90%以上。不仅如此，美国的风险投资阶段也集中于创新企业的导入期和成长期，通常这两个时期也是企业融资需求最旺盛的阶段。美国发达的资本市场，尤其是纳斯达克市场的建立，也为风险投资提供了畅通的退出机制。
良好的创新环境是指创新生态，特别是创新的自主性，鼓励自由探索、原始创新。美国拥有全世界吸引力最强的创新环境，也是留学人员、访问学者最多的国家，长期以来保持世界第一位。美国不仅有自由探索的创新环境、国际一流的设备，还会给予高端研究人员方向性的指导。
美国通过吸引国际学生对全球有潜力的人才进行收割。我们通过查询美国国际教育协会、美国移民和海关执法局的数据发现，美国自2005年起每年吸引国际学生数量超100万人（截至2020年），仅中国每年就有约30万学生赴美国留学；而且恢复高考40多年来，中国各省市高考状元学成后滞留美国的不在少数；近30年来，美国发给中国人的绿卡约有110万个，其中大多数持卡人是高端科技人才。
美国是与世界各国开展科技合作最多的国家之一。每年去美国的访问学者多达60万人，同时美国还与其他国家开展广泛的科技合作与交流，利用各国的人才资源为美国科技发展服务。
美国成为科技强国、经济强国的基本路径是，引进欧洲先进实用技术成为经济大国，利用一战、二战动荡时机抢夺欧洲人才建成人才中心，依靠人才中心催生科技中心，依靠科技中心打造经济中心，依靠经济实力吸引全球优秀人才、收购全球创新成果，以科技安全为名，打压竞争对手。美国抢占科技革命制高点，争夺科技革命红利，巩固科技强国、经济强国地位。
像世界其他国家一样，美国经济发展得益于科技进步。美国经济发展经历了几个重要的阶段：在1776年之前，像其他西方国家一样，美国是农业国家，人民生活水平很低，经济长期没有增长；1776—1870年经济缓慢增长，直到1880年美国还没有一个家庭通电，但是到了1940年，几乎所有的美国城市家庭都通了电，94%的家庭开始使用自来水和地下排污设施，80%的家庭安装了室内抽水马桶，73%的家庭使用煤气取暖和烹饪，58%的家庭有集中供暖系统，56%的家庭已经购买了机械式冰箱。
这主要得益于科技进步引发的“伟大的发明”，进而推动了经济快速增长，而科技进步的源头是引进技术与人才，即欧洲人研发、美国人产业化，这也是美国成功超越英国的法宝。当前，美国认为美国人在研发、中国人在产业化，这条美国曾经走过的成功之路，绝对不允许中国人再走。
美国抓住两次世界大战造成欧洲社会动荡的时机，大量从欧洲吸收顶尖科学家，在短短的几年时间里，使世界人才中心由欧洲转移到美国，为美国后来成为世界科技中心、经济中心、金融中心、外交中心乃至军事中心奠定了基础，也就是说为美国成为世界强国奠定了坚实的基础。
尽管美国科学家爱迪生于1879年10月在新泽西的实验室发明了灯泡，但美国人使用的技术大多是外国人发明的，或者是刚刚移民到美国不久的外国人发明的。美国人是技术使用者，不是发明者，例如电话发明者亚历山大·格雷厄姆·贝尔是苏格兰移民，提出细菌致病理论的路易斯·巴斯德、发明电影的路易斯·卢米埃尔兄弟是法国人，发明无菌手术的约瑟夫·李斯特、早期无线电研究者大卫·休斯是英国人，等等。美国在二战之后挨家挨户邀请欧洲科学家到美国工作，在几年时间内邀请了1 600多名科学家到美国工作，使美国成为世界人才中心，加上美国不断吸引留学人员与访问学者，使美国至今保持着世界人才中心的地位，进而保持了世界科技中心的地位。
如果说美国崛起前期靠的是引进技术和人才，那么信息科技革命之后，计算机、互联网、智能手机等技术或产品几乎都是美国人创造的。不仅是中国在高端芯片、系统软件等信息技术的根技术方面受制于美国，实际上欧洲国家、日本也没有成功开发芯片与软件，美国在信息硬件、软件领域处于绝对垄断地位，文字、数据、图像、声音等相关软件也均源自美国，许多国家只能做一些专业化的软件。保罗·艾伦、比尔·盖茨、史蒂夫·乔布斯和马克·扎克伯格，这些互联网时代的先驱人物全部是美国人，表明美国已经牢牢占据了世界人才中心的地位。
美国作为当今世界最发达和科技创新能力最强的国家，创新对其经济的繁荣起着至关重要的作用，美国在创新机制建设、营造创新环境方面积累了大量的经验。比如，为推动技术转移，美国连续出台了《史蒂文森-怀德勒技术创新法》《拜杜法》《小企业创新发展法》等系列法案，尤其是《拜杜法》鼓励科研机构与中小企业在技术转让和科技创新方面广泛合作；为推动基础研究发展，美国在1950年出台了《国家科学基金会法》，保障了各科学领域的基础研究。
美国之所以能成为世界头号科技强国，科技孵化器发挥了不可替代的作用。实际上，正是由于科技孵化器的关键作用，美国许多中小科技企业以及创业人士才能把梦想变为现实，美国也因此一直走在世界科技发展的最前沿。科技孵化器最早由美国的乔·曼库索提出，第一个科技孵化器于1959年诞生于美国纽约。到了20世纪80年代，由于科技孵化器在促进就业和技术成果转化方面的显著作用，孵化器行业逐步向纵深发展。由于孵化器对生产力的极大推动作用，美国中小科技企业成为美国科技创新的重要生力军。
美国吸引全球人才为其所用，形成创新的原动力，使自身能够在科技创新，特别是原始创新方面走在世界前列。在原始创新方面，美国始终保持着大量的投入，这些投入在很长时间里是由政府直接投资的。在政府的科技研发投入中，基础研究所占的比重非常大，在全球居首位。这也促使美国成为诺贝尔奖获得者最多的国家，同时是原始创新能力、新兴产业发展能力最强的国家，几乎主导了近代信息、网络、空间、生物、新能源、纳米材料等新兴技术产业的发展。经济合作与发展组织公布的数据显示，2008年美国发生次贷危机，经济遭到重创，然而美国政府的研发资金投入却没有马上下降。虽然在2012—2017年，研发资金从1 385亿美元降至1 190亿美元，但到了2019年，又增至1 400多亿美元，2020年增至1 674亿美元。
美国政府、大学和科研院所、企业的紧密互动，为科技创新和经济发展的互动提供了强劲动力。美国政府负责基础研究、公益性研究和一些重大的科学工程，主要是支持国家科学基金会、国立卫生研究院及类似机构，以及实施曼哈顿计划、阿波罗登月计划、人类基因组计划等重大计划，这些政府支持的成果和技术外溢，直接带动了美国经济社会的发展。美国拥有世界上一流的大学和科研院所，它们主要是通过开展前沿科学研究、培养人才以及与企业和政府合作开展创新项目、推动技术转化等多种方式来推动科技创新和经济增长的，斯坦福大学与硅谷科技企业的紧密合作就是一个成功的案例。另外，美国大学和科研院所与企业之间已搭建起了成熟的技术转移和商业化路径，资本和创新企业的关系也非常密切，形成了一个相互促进的良性循环。这种良性互动的机制是世界科技强国、经济强国的重要支柱，保证了科技经济的良性循环。
健全的科技金融体系，是美国确保创新生态系统活力和效率的核心要素。美国拥有世界上最大的科技金融体系，大量的风险投资投向科技领域也是科技成果不断涌现的重要原因。近年来，即便是在美国反垄断法律和监管机构的强力约束下，美国科技公司整合、竞购案例仍不断发生。例如，2020年7月6日，《华尔街日报》网站发布消息称美国优步科技公司宣布以26.5亿美元全股票并购“邮递伙伴”快递公司；脸书向印度电信巨头Reliance Jio投资57亿美元，还斥资4亿美元收购了一家Gif动画公司，并斥资数百万美元修建了一条环绕非洲的近2.3万英里
的海底光缆。
国际科学合作与技术联盟一直是美国政府科技战略和全球战略的重要组成部分。长期以来，美国和英国一直保持着一种特殊的技术联盟关系，现在这种特殊关系延伸到了量子信息技术领域。2023年6月，美国和英国联合发布《二十一世纪美英经济伙伴关系大西洋宣言》。双方强调，大西洋宣言将确保美英独特的联盟得到调整、加强和重新构想，应对当前的挑战。双方将从以下5个方面开展工作：确保美英在关键和新兴技术方面的领导地位，包括加强在量子、5G、6G、合成生物学、先进半导体、人工智能等领域的进一步合作；推进在经济安全与技术保护工具包和供应链方面的合作；进行包容和负责任的数字化转型；建设未来的清洁能源经济；进一步加强在国防、卫生安全和太空领域的联盟。
加拿大是美国的盟友，两国在科技方面有长期合作关系。2021年，美国国家科学基金会和加拿大自然科学与工程研究委员会签署了关于研究合作的谅解备忘录，这是双方确立的第一个正式合作伙伴关系，为两国科研人员在科学和新兴技术前沿建立多样化和包容性合作开辟了新渠道。同年，美国与瑞士两国的国家科学基金会签署协议，强化和扩展双边协议，美国成为瑞士最大的双边科学合作伙伴，这一协议对深化两国合作关系意义重大。美国还与巴西、法国、印度、日本和韩国进行双边接触，积极与欧盟探讨双方如何在欧盟最大的研发计划——欧盟框架计划中开展合作。
从全球已经形成的创新链来看，美国在原始创新、尖端创新和核心零部件等方面占有优势。同时，美国打击科技企业的手段非常丰富，早已建立起国内国际完整的“法律工具”，包括借长臂管辖将国内法延伸到国际市场，并通过法律诉讼、行政许可限制和出口管制等手段进行打压。另外，可以看到，美国对科技企业竞争的干预已经超出了正常的国际惯例范畴，严重破坏了传统意义上的自由市场和国际贸易规则，阿尔斯通、空客等著名跨国企业都曾是受害者。