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新中国的科学技术事业，特别是尖端科学技术，是周恩来根据中共中央和毛泽东的决定，亲自领导创建和发展起来的。从战略决策到组织实施，从科技方针、政策的制定到科研机构的组建、科研人员的调配和培养，从制定科研发展规划到主持重大项目攻关等都倾注了他的智慧和心血。周恩来堪称新中国向现代科学进军的统帅。
新中国成立时，全国科研机构仅40多个，研究人员仅600多人，当时我国连拖拉机、汽车、飞机都不能制造，现代科学技术几乎一片空白，根本不能适应社会主义建设的需要。由于经常出国访问和参加国际会议，亲眼目睹了国外科学技术发展突飞猛进，给人类整个社会生活带来的巨大变化后，周恩来深感我国科学技术的落后和科技人员的奇缺。他深切地感受和认识到发展现代科学技术的极端重要性。
新中国诞生前夕，周恩来就开始关注科学技术事业和科学家。1949年7月13日，周恩来在中华全国第一次自然科学代表大会筹备会上的讲话提纲中写道：科学理论也要中国化、大众化，首先就要与实践结合，否则，寸步难行。这是科学的态度。科学是人类遗产。科学家是社会财富。
1950年6月24日，周恩来在中国科学院第一次扩大的院务会议上讲话，希望科学院“有步骤地发挥力量，团结全国科学家，走向新时代新科学的发展道路”。8月24日，在中华全国自然科学工作者代表大会上，周恩来指出：“新民主主义革命胜利了，中国人民翻了身，这就给中国的科学和科学家的发展开辟了一条无限广阔的康庄大道。”
1954年1月28日，在政务院第204次政务会议上，讨论《关于中国科学院的基本情况和今后工作任务的报告》时，周恩来强调“要充分重视科学研究工作”，大力培养科技工作者队伍。他指出，“我国的科学研究人员人数不多，科学院副研究员以上的高级研究人员一共只有347人，人数不多，但很可贵。我们这里谈的347人是科学战士，要很好地团结起来，好好依靠这批老师，培养新的科学干部，使我国的科学家发展几千几万”。
1955年6月7日，在中国科学院学部成立大会上，周恩来提出“尊重科学家，请教科学家”的要求。他说，“政府方面要向科学工作者开门，尊重科学家，请教科学家”，“政府要对科学工作者给以全力的支持，要重视、尊重科学家的劳动”。
周恩来这些具有首创性的论断，反映了他对科学技术的极端重要性，及其对社会主义建设至关重要作用的深刻理解和认识。
1956年1月14日，周恩来代表中共中央作的《关于知识分子问题的报告》，第一次把正确对待知识分子和加强发展科学技术这两个相互关联的大事，作为全党全国必须密切关注的重大任务郑重地提了出来。这个报告用相当多的篇幅论述发展现代科学技术的问题，比较集中地体现了周恩来的科技思想。
在报告中，周恩来首先论述了社会主义建设迫切需要发展现代科学技术的道理。
周恩来针对当时我国科学技术落后的状况，明确指出，对于社会主义建设，“科学是有决定性的因素”。他指出：
“我想在这里多说一点科学方面的事情，这不但因为科学是关系我们的国防、经济和文化各方面的有决定性的因素，而且因为世界科学在最近二三十年中，有了特别巨大和迅速的进步，这些进步把我们抛在科学发展的后面很远。”
“现代科学技术正在一日千里地突飞猛进。生产过程正在逐步地实现全盘机械化、全盘自动化和远距离操纵，从而使劳动生产率提到空前未有的水平。”
“这些最新的成就，使人类面临着一个新的科学技术和工业革命的前夜。”
紧接着，周恩来在报告中从总体上提出了发展我国现代科学技术的目标和任务：就是要在第三个五年计划期末，使我国最急需的科学部门接近世界先进水平，使外国的最新成就，经过我们自己的努力，很快就可以达到。有了这个基础，我们就可以进一步解决赶上世界水平的问题。
为使我国赶上世界先进科学技术水平，针对当时一种意见，即“中国在科学方面的落后反正不能马上改变，反正需要靠苏联的援助”，周恩来在报告中强调：“为了完成这个伟大的任务，我们必须首先打破那种缺乏民族自信心的依赖思想。”他认为，我们需要靠苏联的援助来改变我们的落后，但不能一辈子处于依赖和模仿状态，无限期地加重苏联的负担。他提出，要作出全面规划，分清缓急本末，有系统地利用苏联科学的最新成果，尽可能迅速地赶上苏联水平。“这样，就可以最有效最合理地利用苏联的援助，促进我国科学有计划的发展。”
针对当时比较普遍存在的重视应用技术而忽视基础理论研究的现象，周恩来指出：“到了现在，如果我们还不及时地加强对于长远需要和理论工作的注意，那么，我们就要犯很大的错误。没有一定的理论科学的研究作基础，技术上就不可能有根本性质的进步和革新。”这是一个富有远见卓识的科学论断。
随着我国科学技术的不断发展，周恩来对现代科学技术在实现现代化中的关键性作用作了精辟的论述。1963年1月29日，他在上海市科学技术工作会议讲话中，创造性地提出“四个现代化的关键在于科学技术现代化”的著名论断。提出：“实现科学技术现代化的主要要求是：实事求是，循序渐进，相互促进，迎头赶上。”
2月26日，周恩来在全国农业科学技术工作会议上讲话时重申：“四个现代化，即农业现代化、工业现代化、国防现代化、科学技术现代化，这四个现代化的关键在于科学技术现代化。”他还进一步诠释了实现科学技术现代化的主要要求：“实事求是”，是科学态度；“循序渐进”，也是科学态度。不管是跑步式的、迂回式的，总要循序渐进。“相互促进”，是不能一马当先，必须互相配合，不配合，不协作，就无法并进。“迎头赶上”，是说人家远远超过我们，我们要赶上。资本主义国家用了几十年，我们要用十几年工夫赶上去。我们必须有这个志向。
周恩来响亮地提出“认真地而不是空谈地向现代科学进军”的号召。为了“向现代科学进军”，他提出首先必须抓紧制定我国发展科学技术的长远规划，认为“有了长远科学规划，就有了奋斗目标”。周恩来在《关于知识分子问题的报告》中，为我国制定12年科学规划确定了指导方针：
“国务院现在已经委托国家计划委员会负责，会同各有关部门，在三个月内制定从一九五六年到一九六七年科学发展的远景计划。在制定这个远景计划的时候，必须按照可能和需要，把世界科学的最先进的成就尽可能迅速地介绍到我国的科学部门、国防部门、生产部门和教育部门中来，把我国科学界所最短缺而又是国家建设所最急需的门类尽可能迅速地补足起来，使十二年后，我国这些门类的科学和技术水平可以接近苏联和其他世界大国。”
制定长远科学发展规划，是我国有史以来的第一次，是一项复杂而艰巨的任务。中共中央对此十分重视，决定由周恩来亲自领导，由陈毅、李富春、聂荣臻具体组织。当年3月14日，科学规划委员会成立，主任陈毅，副主任李富春、郭沫若、薄一波、李四光，秘书长张劲夫。4月，国务院召开制定12年科学规划会议，讨论制定科学规划的意义、方针、内容、要求和方法等。为了加强对制定科学规划工作的领导，会议决定成立10人小组，成员有范长江、张劲夫、刘杰、于光远、武衡、杜润生等，负责主持制定科学规划的工作。
在制定12年科学规划的过程中，首先要确定制定规划的基本方针。讨论时，提出了两条不同的方针：一条是主张一切都靠我们自己从头摸索前进；另一条是主张在自力更生的前提下，先学习和掌握世界上已有的科学成就，然后在这个基础上循序渐进。大多数同志认为，前一条方针的路比较长、比较曲折，究竟怎么搞，很难具体设想和把握：后一条方针的路比较短，也比较直，不仅有世界先进科学技术成就可以借鉴，而且可以争取友好国家特别是苏联的援助。经认真讨论和反复斟酌，最后大家同意后一条方针。
在讨论制定科学规划的原则时，意见分歧也比较大，一种意见主张按学科来规划，另一种意见主张按任务来规划。经过充分讨论，为了使我国的科学技术工作紧密结合社会主义建设的实际，有效地解决生产建设中的科学技术问题，10人规划小组最后确定将“按任务带学科”作为这次科学规划的基本原则。这却引起了一些科学家的思想波动，因为有些基础理论学科的研究，没法用任务来带动学科。这确实是一个需要妥善解决的问题。
在制定科学规划的过程中，10人规划小组多次向周恩来汇报，他总是认真地耐心地听取各种不同意见，明确提出：要尽量采用世界先进科学技术，瞄准新兴科学技术，不失时机地迎头赶上：同时根据我国国力有限的客观实际，要求“重点发展”，避免分散力量，拖延时日。为解决那些任务带不起的学科的问题，他建议补充一个基础理论科学规划。遵照周恩来的建议，后来在规划中增补了《现代自然科学中若干基本理论问题的研究》，把这次科学规划原定的56项任务扩充为57项。
周恩来在制定科学规划的过程中充分发扬科学民主的作风，受到科学家们的热情赞扬。著名科学家钱三强在回忆中写道：“特别注意听取各方面科学家的意见，尤其是不同的意见。”“周总理领导制订科学技术发展长远规划在当时是一个创举。”
1956年5月26日，周恩来在中南海怀仁堂举行盛大酒会，招待参加全国科学规划工作的300多位科学家，勉励他们努力开展科学研究，学习苏联和其他一切先进国家的科学技术，争取在12年内使我国重要的和急需的科学技术部门接近和赶上世界先进水平。他还特地对从欧美国家留学归来的科学家们说：我们反对资本主义国家的政治和社会制度，但对资本主义国家的先进科学技术应该虚心学习。
7月24日，周恩来召集有关部门领导人开会，研讨编制科学规划的有关问题，部署下一步制定规划的工作。根据周恩来的意见，8月下旬，陈毅主持召开国务院科学规划委员会扩大会议，讨论修改《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（草案）》。11月15日，周恩来就10月29日陈毅、李富春、聂荣臻《关于科学规划工作向中共中央的报告》，致信中共中央总书记邓小平，并随信附去《报告》和规划党组名单。信中写道：“我意可以原则批准，以便按照他们提出的程序进行讨论和审议，最后再提中央批准。”19日，邓小平批道：“拟同意总理批语，同意党组名单。”12月24日，国务院科学规划委员会提交了《1956—1967年科学技术发展远景规划纲要（修正草案）》。
至此，在周恩来的直接领导和国务院科学规划委员会负责人陈毅、李富春、聂荣臻等组织领导下，经过来自23个单位的787位科学家半年的努力，终于圆满完成了12年科学规划的编制工作。这个规划规定了57项国家重要科学技术任务和616个中心课题，又精选出具有全局性意义的12个重点项目，在人力、财力、物力上优先予以保证。至于那些特别重要而当时我国却很薄弱甚至空白的学科，如发展计算机技术、半导体技术、无线电电子学、自动化和远程操纵技术，加上当时绝对保密的发展原子能和导弹等研究，共计六项，构成了我国发展尖端科学技术的关键，对它们采取了紧急措施。
为了落实12年科学规划，“认真地而不是空谈地向现代科学进军”，当务之急是尽快建立科研机构和组织科研队伍，其中的关键是急需大批科技人才，特别是高级科技人才。据统计，20世纪50年代中期，全国能任硕士研究生导师的高级知识分子约有2000人，科研系统仅有二三百人；科研系统能独立工作的中级科研人员约有1000人。而在制定科学规划的初步计算，12年中需要大学毕业以上各类科技人员近18万人，其中从事高新技术研究的约需5万人。为了迅速建立科研机构，科研单位1956年和1957年急需补充大学毕业以上的科研人员3万多人，而当时理工科大学毕业生每年约3万人，况且新毕业的大学毕业生还不能很快独立工作。因此，大力培养科研人员，组建科研队伍，成为当时极其紧迫的重要任务。
为了实现向现代科学进军的规划，周恩来在《关于知识分子问题的报告》中提出，“最迅速最有效地达到这个目的的道路”，就是要采取六项强有力的措施：
第一，按照最急需的门类，迅速派遣专家组、优秀的科研人员和大学毕业生，到苏联和其他国家实习，回国后立即在科学院等单位建立发展科学技术的基地，并且大量培养科研人才。
第二，对于一部分学科，向苏联和其他有关国家聘请若干组专家，请他们帮助我们建立科研机构，培养科研人员。
第三，有计划地组织大批科学技术人员向现在在中国的苏联专家学习，把他们当作导师来利用。
第四，集中最优秀的科研人员和大学毕业生到科学研究机构工作。用极大的力量来加强中国科学院，使它成为领导全国提高科学水平、培养新生力量的“火车头”。
第五，高等学校中的科研人员必须在全国科学规划的指导下，大力开展科研工作，并且大力培养新生力量。
第六，政府各部，特别是地质、工业、农业、水利、运输、国防、卫生各部门，应该迅速地建立和加强必要的科研机构，同科学院进行合理的分工和合作，共同扩大科研队伍，并且负责把世界科学的最新成果，有计划地、有系统地介绍到实际应用中去，以便尽可能迅速地用世界最新的技术把我国的各方面装备起来。
在组建宏大的科研机构和科研队伍的过程中，周恩来十分重视采用“请进来，走出去”的方式。“请进来”，就是请外国科学技术专家，当时主要是苏联专家，到我国指导开展科学研究；同时，采取多种措施，争取在国外留学的中国科学家回国。
周恩来在新中国成立前夕就开始关注争取国外留学生回国的工作。1949年夏，由中共南方局安排赴美留学的中共党员徐鸣回国向中共中央汇报在美国开展这项工作的情况，周恩来指出：“你们的中心任务是动员在美的中国知识分子，特别是高级技术专家回来建设新中国。”1954年4月至6月，日内瓦会议期间，他号召在海外的中国科学家回国参加建设事业。据统计，1949年8月至1955年11月，从资本主义国家回来的高级知识分子有1536人，其中从美国回来的就有1041人。他们中有李四光、华罗庚、钱学森、吴阶平、汪德昭、邓稼先、吴仲华等著名科学家。
1956年2月22日，知识分子会议闭幕不久，周恩来审批争取留学生归国工作组《关于争取尚在资本主义国家留学生回国问题的报告》，中共中央为转发这个报告写了批语。《报告》指出：“根据总理关于大量争取留学生回国参加建设、今年内至少争取1000人回国的指示，我们认为对资本主义国家的留学生应采取普遍争取的方针，重点应放在美国。”
为使留学海外的中国科学家早日回国参加建设事业，周恩来总是想方设法排除种种阻力，亲自做争取他们回国的工作。
著名地质学家李四光于1948年作为中央研究院地质研究所所长，赴欧洲从事地质考察和学术研究，并到伦敦出席第18届国际地质学大会，后留居国外。新中国成立时当选为第一届全国政协委员，被任命为中国科学院副院长。李四光为中国革命的胜利欢欣鼓舞，企盼早日回国参加建设事业。周恩来委托出席世界和平拥护者大会中国代表团团长郭沫若捎信给李四光，希望他早日回来报效祖国。
但是，国民党反动派对李四光威胁利诱，阻挠他回归祖国。国民党驻英国使节对他说：北平宣告建国，先生该出来反对，并退出政协。李四光断然回绝，并于当晚迁移住址，隐居在伦敦郊区。为了避开国民党特务的骚扰，他设法购到从朴茨茅斯起航的邮轮船票，准备辗转东欧，绕道回国。
为确保李四光旅途安全，周恩来于1949年11月15日致电新华社驻捷克布拉格分社社长吴文焘和中国驻苏联大使王稼祥，嘱咐他们沿途作好安排。电文写道：“李四光先生受反动政府压迫，已秘密离英赴东欧，准备回国，请你们设法与之接触。并先向捷克当局交涉，给李以入境方便，并予保护。”后因情况变化，李四光没能取道东欧，而是经瑞典、意大利辗转回国。1950年5月，李四光冲破重重阻力，终于回到了北京。
李四光回到北京的第二天，周恩来就去北京饭店看望他，交谈了组织全国性地质机构的设想。按照周恩来的安排，李四光愉快地就任中国科学院副院长、中华自然科学专门学会联合会主席、地质工作计划指导委员会主任委员，1952年8月被任命为中央人民政府地质部部长。后来，李四光夫人许淑彬在回忆中写道：
“到了北京，许多新旧朋友都来迎接。有的老朋友告诉仲揆（李四光的字——作者注），解放后不久人民政府曾考虑召开第一次全国地质会议，但周总理指示要等仲揆回国后再开。谁知一直等了五个月还不见仲揆回来。于是有人造谣说：李某人是不会回来的，他去台湾了。周总理听了这话后说：我相信他不会去台湾，现在还没有回来，一定是给什么困难耽误了，我们一定等他回来再开会。”
1944年，美国陆军部委托冯·卡门研究远程火箭，钱学森应邀参加，并先后担任麻省理工学院教授、加州理工学院喷射推进专业特级教授。1948年，钱学森开始准备回国参加建设。1949年5月，钱学森的同学、中共党员曹日昌写信给他，转达祖国的召唤，希望他早日回国。同时，他还频频收到他的父亲、姐姐的来信。他的父亲在信中说：现在是人民的中国，希望你的才智献给人民的中国。
1950年7月，钱学森决定以探亲名义回国，不再返美。正待起程时，美国海军部次长金波尔对他说：“你不能回国，你太有价值了。”金波尔还对朋友说：“他无论如何抵得上三师至五师兵。”在金波尔的唆使下，美国有关当局拘留审查钱学森，受到美国移民局迫害和限制，受到美国联邦调查局监视，实际上被软禁长达五年。
1955年6月，钱学森夫妇避开监视，在一张香烟纸上写了一封信给在比利时的亲戚，信中夹带有给当时任全国人大常委会副委员长陈叔通的一封信，请中国政府帮助他回国。信中说：他被美国政府拘禁这五年来，“无一日、一时、一刻不思归国参加伟大的建设高潮”。他还要中国政府千万不可相信美国的“中国学生愿回国者已放”的谎言。
周恩来收到陈叔通转来的这封信后，立即指示中国驻波兰大使王炳南，让他在中美大使级会谈时，依据钱学森的这封信，同美国进行谈判、交涉。
1955年8月1日，中美大使级谈判在日内瓦举行，第一项议程是双方平民回国问题。会谈开始，我方首先宣布中国政府释放11名美国间谍的声明。接着，我方要求美方批准愿意回国的华侨、留学生回国。美方驻捷克大使约翰狡辩说：美国政府已取消过去不准中国平民离境的命令，所有以前被留在美国的技术人员已经得到通知，可以自由离境。王炳南当即予以驳斥，并宣读了钱学森给陈叔通的信。在确凿的事实面前，美方很被动。美国政府当局不得不于8月14日通知钱学森：可以离开美国。10月8日，钱学森一家终于回到祖国。周恩来对钱学森回国十分高兴。后来，王炳南回忆说：
“20世纪50年代末，周总理曾经在一次会上说，中美大使级会谈至今没有取得实质性成果，但我们毕竟就两国侨民问题进行了具体的建设性的接触，我们要回了一个钱学森。单就这件事来说，会谈也是值得的，有价值的。”
“走出去”的主要方式是有计划地派遣留学生出国深造。1950—1956年，共派出留学生7500多人。1951年8月11日，周恩来接见将要起程的第一批375名赴苏留学生时说：“国家目前很困难，但下决心送你们出去学习，是为了将来回国参加建设。”
“走出去”还有两种形式。一是派实习人员去苏联学习。1955年秋，派出钱三强、彭桓武、冯麟、力一、何泽慧率领30多人的实习团，去苏联学习原子反应堆、回旋加速器等。二是参加苏联、中国、波兰等11国联合成立的杜布纳联合原子核研究所的研究工作。从1956年起，我国先后派出王淦昌、张文裕、胡宁、朱洪元、周光召、何祚庥、吕敏、方守贤等科学家、青年科研人员130多人。
经过“请进来，走出去”等一系列措施，我国科研人员从1956年的1.8万多人发展到1962年的9.4万多人（不包括国防科研系统的），其中有研究员、副研究员2800多人，助理研究员7700多人，实习研究员5万多人。至此，新中国形成了一支老、中、青相结合和学科门类比较齐全的宏大科研队伍，初步满足了当时科研工作的需要。与此同时，我国的科研机构从1956年的380多个发展到1962年的1296个。
几年来，“认真地而不是空谈地向现代科学进军”，我国的科学技术得到巨大发展，取得了举世瞩目的成就。原定12年完成的科学发展规划中的57项主要任务，已有50项提前在1962年完成。为我国社会主义现代化建设奠定了基础，也为我国发展“两弹一星”等高、精、尖科学技术创造了有利条件。对于这一时期我国科学技术所取得的成就，薄一波在《关于重大决策和事件的回顾》一书中曾经作过这样的评价：
“后来的实践证明，我们制定的这个长远规划是宏伟的，也是切实可行的，它成为当时全国人民向科学进军的行动纲领。”“在党中央的领导下，在周总理的直接部署、关怀、主持和聂荣臻同志的具体组织下，由李四光、钱学森、钱三强等一大批科学家的努力，这个时期的科技成果累累。”