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美国在1776年宣布独立时还是一个农业社会，但现代工程很快就为社会带来了变革。罗伯特·富尔顿（Robert Fulton）利用詹姆斯·瓦特（James Watt）在英国发明的蒸汽机为第一艘蒸汽船提供了动力，这成为19世纪初期开辟美国内陆河流域定居和进行贸易的基础。从19世纪30年代起，高压蒸汽机驱动着铁路机车，将陆地上的国家连接起来。水力的应用使纺织工业在新英格兰得以发展，蒸汽机在20世纪后期开始为制造业提供动力。尽管塞缪尔·莫尔斯（Samuel F. B. Morse）发明的电报在美国内战之前创建了一个通信网络，并在随后的几年中传播开来，但在内战结束时，美国仍然是一个农业国家。

到20世纪20年代，美国凭借两项超级创新（电力和内燃机）的发展成为工业强国。这些创新依靠化石燃料获取能源。在19世纪70年代之前，美国以木材作为燃料。然而，每磅煤炭产生的能量比木材多。到19世纪后期，煤炭开始取代木材作为燃料来驱动铁路机车、发电厂设备，为住宅和工作场所供暖。1890年后，机动车的出现使石油也成为必不可少的燃料。到20世纪20年代，煤炭和石油成为美国的主要能源。化石燃料带来的环境问题后来才引起关注。当时，化石燃料不仅满足了国家对能源的需求，而且使森林免遭进一步破坏。

19世纪80年代，托马斯·爱迪生（Thomas Edison）在纽约设计了一个系统，通过燃煤发电厂为家庭和办公室供电。随着电力的普及，电灯、电机和其他设备制造也实现了工业化。亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）用电实现了一种新的有线通信形式——电话。到了20世纪20年代，美国人开始使用电磁波进行无线电通讯和广播；再过20年，利用这种电磁波进行的电视广播开始了。

现代飞机是莱特兄弟（Wright Brothers）1903年发明飞行器的延伸。1908年后，亨利·福特（Henry Ford）推出了可以大规模生产的汽车——T型汽车，并使汽车业成为现代工业的主导行业之一。飞机和大多数汽车都使用以汽油为燃料的内燃机。到20世纪30年代，新的精炼工艺已将每桶油的汽油量从10%提高到40%，并提高了其在发动机中的性能。冶金工程提供了制造汽车和飞机所需的结构材料，结构工程师使用钢材来延长桥梁的长度和建筑物的高度。

美国民众后来开始相信现代工业是现代科学的产物。事实上，科学家们的贡献主要是在上述技术突破之后，而不是之前。通用电气（General Electric Company）和西屋公司（WestinghouseElectric Corporation）在20世纪就创建了实验室，科学家和工程师在实验室中发明了钨丝灯泡和交流电，这比爱迪生最初设计的碳丝灯泡和直流配电系统更实用。实验室工程师在20世纪30年代简化了汽车和飞机的形状，贝尔电话实验室在电话服务之外的许多领域都提高了知识水平。但新的工业研究主要用于改进现有技术，由此带来的工业增长以及农业和供水的进步，将美国从农业社会变成了一个以城市文明为主的国家，并最终使美国在第二次世界大战（简称“二战”）中取得了胜利。

从某种程度上说，20世纪的重大工程创新并不是实质性的改变。最重要的是连续性——新技术在多大程度上是建立在之前的技术之上。关于往复式汽车（Reciprocating Automobile）发动机的公式可以追溯到18世纪的詹姆斯·瓦特，他使用其来描述蒸汽机的作用，而火箭推进原理则可以追溯到牛顿第三定律。第一个电子放大器——1906年的三极管——必须用内部真空的玻璃管封装。1947年的第一个晶体管是可以在没有真空环境的情况下工作的三极管。当史蒂夫·沃兹尼亚克（Steve Wozniak）在1977年设计苹果二代（Apple II）个人电脑时，他的基本见解是以创新的方式将一种新型微芯片——微处理器——与彩色电视监视器结合起来。新的创新开辟了更多的可能性，但每一个创新都是从技术、思想和事物的基础上发展起来的。

然而，20世纪有所不同，要求大多数工程师需要有更正式的培训才能进行创新。尽管他们的正规教育有限，但爱迪生和莱特兄弟和之后几十年里其他任何实现创新的人一样都是杰出的工程师。个人计算机始于20世纪70年代后期，而苹果和微软的创始人都是自学成才。但是胡佛水坝、国家公路网、核能、喷气式飞机和航天器、大跨度桥梁和高层建筑以及计算机技术的进步，都要求承担相关项目的工程师接受更正式的工程和科学培训。然而，无论他们接受什么培训，所有创新者都必须进行富有想象力的设计并为他们的想法赢得支持。

政府的角色也发生了变化。美国在联邦政府的帮助下实现了工业化，联邦政府给予专利保护，征收关税以保护工业免受进口冲击，并规范国内的实践。20世纪20年代以前，私营工业往往在私人需求的推动下就能够崛起。从那之后，提供水和电力的巨大水坝以及连接国家的高速公路，都需要公共工程。“二战”后，由于国防需求，联邦政府的规模变得越来越大，而航空航天和电子领域的新兴产业的崛起和持续繁荣都依赖于国防领域的支持。然而，政府的作用因每种技术而异，其作用并不是笼统的观点表述的那样，将政府视为创新洞察力的手段或障碍。

美国20世纪20年代之后的重大创新讲述了一个独特的故事。大坝控制住了河流，使美国西部具备了建设现代生活的条件，就像一个世纪前汽船和铁路为美国中部开辟了定居和贸易的条件一样。田纳西河流管理局第一次尝试通过建设公共工程使大片地区摆脱贫困；联邦公路计划促进了美国向郊区文明的转变；而1945年后核能的发展使得这种新的、有争议的能源进入了公众视野。在联邦政府的支持下，喷气发动机和太空火箭等技术克服了速度、距离和高度的限制，尽管这些技术在1970年之后并没有保持快速发展。1945—1947年的晶体管是电子学领域的重大突破，1958—1959年晶体管发展成为集成式电路以及微芯片。电子计算机和互联网的影响将被证明是同样激进的。晶体管和微芯片起源于私营部门。军方开发了早期的计算机和计算机网络，但后来是私营部门为这些创新打开了大众市场。

1920年后，激进的创新者必须在一个由大型私营部门和公共机构主导的社会中取得成功。尽管如此，本书所描述的创新表明，在一个日益体制化的时代，创新者具备非传统的洞察力仍然是可能的，重要的是具备独立的视野，以及一个愿意并能够回应它的社会。作者为理解技术创新，建立了一个基本的思想框架：

一、常规创新和激进创新

技术创新以其对社会的工程重要性著称，这种重要性可以从三个方面来考虑。大多数社会认为创新是对现有商品和服务的改进。这些进步经常发生，并且通常对企业的成功至关重要，但它们的重要性往往是短暂的。例如，微处理器在计算机内部完成主要工作，多年来微处理器的容量大约每两年翻一番。然而，它们很快就过时了。一种更重要的创新可以为现有产品引入新用途，或者引入对现有行业产生重大影响的新产品或新工艺。微处理器刚出现时就是这种新产品。在某种程度上，新的微处理器依然体现了最初微处理器的设计理念，最初的设计理念依然具有影响力。最后，有一小部分创新已经在很长一段时间内对社会产生了根本性的变革影响，例如一个多世纪前电力和机动车的发展，而导致今天数字计算的进步可能是相对激进的。

各种创新之间的差异并不是精确的，它们对现代社会都至关重要。关键在于，创新并不是在一个层面上持续不断的变化。为清晰起见，本书采用了航空历史学家沃尔特·文森蒂（Walter Vincenti）对创新的两个层次的区分。增量和中间创新可以归类为常规创新，这类是公司和社会大部分时间都在做的创新类型。“激进”一词描述了以更根本的方式改变工程和社会的想法。诚然，对这些创新的任何选择都是任意的，但本书中记录的从1920年到21世纪初的大多数事件可能会出现在任何记录更激进创新的清单中。

激进创新的传统描述是一两个人的突破性思维，然后设计和展示原型。杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯研究的微芯片接近于这个形象，尽管它的创新者还需要同事的帮助。在微芯片准备好生产之前，还需要做进一步的工作，微芯片必须找到市场。然而，一些激进的创新更应该被视为更大的集体努力。美国公路计划始于20世纪20年代，当时是由一位领导者托马斯·麦克唐纳提出的愿景，但1956年之后的州际公路系统需要由团队努力在接下来的30年内完成。火箭的实用性很大程度上归功于罗伯特·戈达德（Robert Goddard）在1945年之前的工作，但20世纪60年代的美国太空计划由于太庞大而不可能是一个人的工程愿景。然而，团队努力并不意味着创新工作在某种程度上是非个人力量的结果。更大的群体的工作仍然是多个个体的工作的集合，个体有能力在必要时独立思考，也有能力为一个共同目标一起努力。

二、工程与科学

第二组我们来区分工程和科学这两种活动之间的关系。两者往往被公众视为一个整体——科学。公众通常认为科学是新见解的源泉，而工程作为其应用，这种描述具有误导性。从广义上讲，科学家和工程师各有一项核心竞争力；对于科学家来说，是发现关于自然以及自然存在的事物的新事实；对于工程师来说，是对自然不存在的事物的设计。20世纪20年代以前，现代工程的大部分根本性进步都没有依赖于上述意义上的科学作为刺激。从那时起，科学知识一直是创新的一个更重要的要求，但工程设计洞察力仍然是技术创新的关键。

科学家和工程师都具有创造性，因为他们都质疑知识的界限：科学家挑战我们对自然的理解；而工程师挑战我们对设计能力的理解。这两类人也将对方的工作作为自己工作的一部分完成。但是术语的清晰性应该被重视：当在研究自然或自然属性的一个方面时，实际上是在做科学工作；而从事设计工作时，实际上是在做工程工作。使用“科学”一词来指代这两种活动，实际上模糊了设计新事物所需的独立思考能力。

这种思考能力可以通过19世纪70年代关于如何将电力传输到灯的探索来说明。科学家们可以证明，电路中的最大电力传输需要灯中的电阻等于电源中的电阻（电阻是导致电路中所有器件发热的原因）。19世纪70年代的专家认为，必须以这种方式设计分配电力的网络。然而，托马斯·爱迪生认识到，使用最大传递作为设计基础意味着在发电机中损失一半的能量作为废热。因此取而代之的是，他设计了一种内阻低的发电机，并在寻找到合适的发电机后，设计出能够承受高温的灯泡灯丝。结果，这样一个系统产生了足够的电力来满足需求，同时将废热从50%减少到了10%。

如果将工程学认为是应用科学，其中科学提供了基本的知识，工程师只是找到了使用它的实用方法，那么就不需要爱迪生所拥有的那种独立洞察力。有些人可能将工程师的工作称为应用科学，但是如今工程师经常利用科学知识，工程师是独立思考并以工程需求为指导的设计师。

三、关于四个原型理念

《思维决定创新》将重大的创新突破分为四类：结构、机器、网络和过程。

这些类别是根据其基本功能进行区分的。一个结构可以支撑或承受重量，并需要尽可能稳固，“结构”上的主要突破包括大型水利工程、现代化公路桥梁和高层建筑。

“机器”通过移动自身的一部分或通过移动部件来工作，例如固定式蒸汽机、铁路机车以及汽车和飞机中使用的内燃机等原动机。

“网络”是一个系统，它以最小的损失将某些东西从一个地方传输到另一个地方，电话网络、电网、无线电和电视广播以及使现代计算成为可能的电路都是以这种方式运行。

“过程”是一个系统，它可以将一种事物转化或改变为另一种事物，将铁转化为钢、将原油转化为汽油以及将其他化学品转化为有用产品的过程就是例子。

这四种思维方式推动产生了现代工程的四个最初的分支：土木、机械、电气和化学。

今天的许多工程学校内部都划分出了更多的系、项目和专业，许多工程理念涉及不止一个功能，例如20世纪的汽车工程整合了电力、化学燃烧、机械运动和钢框架等功能。但是，结构、机器、网络和过程这四个概念有助于理解最重要的创新的工作原理。

四、三种视角

最后一组要区分的概念包括所有工程师在进行设计之前必须回答的三个问题。首先，这个物件能不能被制造出来，它会不会是高效和安全的？这些问题通常涉及必须计算和测试的物理关系。其次，该物件能够满足的需求或潜在用途是什么？ 设计和制造的成本是多少？收益是否值得？这些问题通常以金钱来衡量，金钱将工程、经济和政治联系起来。最后，如果该物件实用且确实能被制作出来，那么它是否还可以有一个吸引人的设计而不会显著增加成本？它会改善生活质量并对社会和自然环境产生可接受的影响吗？这些问题很难通过测试和测量来回答。答案取决于设计师的审美眼光和道德判断以及周围社会的包容度。

这些担忧意味着工程师有选择的自由。任何设计都可能是达成某些目标的几种方法之一，拥有这种自由为工程师提供了想象新可能性的空间。同时，这种自由也伴随着做出负责任选择的义务：有效利用材料和经济地使用公共或私人资金，坚持较高的道德标准，改善自然环境和人类生活。社会也可以选择如何资助和利用创新，但作为设计者，工程师负有首要责任。

如果没有政府或私人投资者的资金支持，变革性创新就无法成功，而工人和消费者的贡献对于实现这些创新也至关重要。社会可能会或可能不会为它们做好准备，工程师可能会也可能不会预料到它们产生的效果。这种激进的创新通常始于工程师的洞察力，他们能够超越通常认为的可能性。本书的其余部分旨在让工程师、感兴趣的学生和普通读者了解和掌握20世纪的关键技术思想以及形成这些思想的工程师创新者的故事。（本文节选自《思维决定创新》，点击购买）

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