思维决定创新:20世纪改变美国的工程思想

中文版推荐序 从洞见到创新 本书讲述的是1920年以来改变美国乃至世界的一系列重要的技术创新，以及这些创新从产生到实现的全过程。这些创新既包括了美国的大型公共工程，例如胡佛大坝、高速公路以及登月工程，也包括了晶体管、集成电路、计算机和互联网。 通过详细描述这些创新的故事，作者希望告诉我们，有的创新伴随着科学的重大发现和发明，有的创新是利用现有技术的组合，而有的创新是在现有的技术上改进完善以解决重大的现实问题。其次，所有这些创新都是通过工程来实现的，因此对于越来越多的渐进型创新来说，工程师的创造性思维和工程上的实现特别重要。*后，对于很多公共工程领域的技术创新，政府的支持也是不可或缺的。 本书既可以作为一本技术素养的普及读物，也可以作为一本技术创新的励志教材，书中的故事引人入胜。例如，20世纪20年代初期，美国垦务局（Bureau of Reclamation）总工程师弗兰克·韦茅斯（Frank Weymouth）接到了胡佛大坝（Hoover Dam）的设计任务，他打破了工程师传统的重力坝设计思路，改用拱形水坝设计。所谓重力坝，就是依靠大量混凝土质量或重量来阻挡水流趋势；而拱形设计可以将水平力向四周传导，以分散水势的压力。与重力坝相比，拱形水坝所需的材料更少，却能与重力坝一样，达到的相同效果。在大坝建设的相近时间，美国国内汽车的登记数量达到800万台，汽车的普及对美国道路提出了更高的要求，由托马斯·麦克唐纳（Thomas MacDonald）领导的公共道路局筹划并建设了美国20世纪*伟大的基建项目——全国公路路网。麦克唐纳对车辆和路面之间的相互作用进行了科学研究，发现路面不平整对道路的损害要大于汽车重量造成的损害，因此开始采用波特兰水泥或沥青制成的混凝土铺设道路代替原先的碎石铺设路面；更为重要的发现是，充气轮胎给路面带来的危害远小于当时的实心轮胎，于是汽车都开始采用充气轮胎。1945年后，美国大城市核心商业区地产价格不断攀升，对高层建筑的需求只增不减，但是高层建筑的造价却极其高昂。工程师法兹勒·汗（Fazlur Khan）开始思考摩天大楼的造价问题，并用框架筒体系解决了这一难题。所谓的框架筒体系，是指一幢大楼能通过外部的框架受力，形成盒状，即将建筑包裹成正方体或者长方体一样的筒。比起过去利用立柱和横梁平均分担的方式，这种方式能够更好地抵御风力，并且使用较少的钢材。20世纪50年代，核裂变作为核能的替代能源一直是研究焦点。1948年7月，美国海军船舶管理局决定任命海曼·里科弗（Hyman Rickover）负责研制一种可控的核裂变作为动力的潜艇研发项目。当时潜艇普遍采用内燃机和电池保持航行，这样的动力组合难以保持长时间续航。如果能够利用少量铀产生的核能将水加热成蒸汽，就可以驱动发动机，使潜艇保持数周或数月在水下工作。但是，当时没有将核裂变能量转变为电能的实用系统，并且潜艇内部空间有限，潜艇的核动力系统必须能够承受运动和作战带来的冲击；此外，核动力系统还存在辐射的危险。里科弗和工程师们通过设计一种名为Mark Ⅰ的动力系统顺利完成了一次发热的可控核裂变反应。20世纪30年代，工程师们发现螺旋桨技术存在局限性，即随着螺旋桨叶的旋转速度接近声速，机头的空气阻力急剧上升，飞行高度受到限制。弗兰克·惠特尔（Frank Whittle）认为，通过使用液体在燃烧室形成压缩空气然后喷射出来形成推动力，可以设计出飞行更高、更快的喷气式发动机。惠特尔设计的涡轮喷气发动机包括轴、压缩机叶轮和涡轮，将空气送入发动机，机身尾部的一个喷嘴排出尾气。试验表明，与英国*好的螺旋桨战机相比，该机的速度和机动性具有极大优势。20世纪50年代，晶体管发展遇到新的问题，买家（尤其是军方买家）需要在电子设备中添加更多电路，以满足不断增加的性能需要，这就需要压缩电路体积。1958年夏天，德州仪器公司的杰克·圣克莱尔·基尔比（Jack St. Clair Kilby）认为晶体管和其他电路都可以由硅之类的单一材料制成，而不是当时业界公认的必须加入其他元素。1959年初，加利福尼亚州仙童半导体公司的罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）发现，可以利用机器组装整个电路，无须人工连接。基尔比和诺伊斯的发现促进了集成电路（又称为微芯片）的 诞生。 这本书是美国关于技术创新三部曲的第三部。在介绍这些重大技术创新的来龙去脉的同时，作者用简单、易懂的数学概念和图形为读者清晰阐释了技术创新路线，让读者深入浅出地了解技术创新原理以及工程实现的全过程，可读性很强。 当前，我们正处在百年变局和民族复兴的重要历史时期，建设创新型国家和制造业强国都迫切需要提高全民族的创新意识和工程素养，因此了解历史上重大的技术创新的产生背景和实现过程非常必要，尤其需要了解工程思想和工程师在其中所起的重要作用。 希望大家喜欢这本书。 廖 理 清华大学五道口金融学院教授、博士生导师 2022年4月 于北京 英文版推荐序 创新改变了我们的社会 “我拥有了自己的想法和想象力”——杰克·圣克莱尔·基尔比是这样描述他开发出微芯片的过程的。微芯片仍在继续塑造着我们的现代世界。微芯片技术使得人们在一小片硅上能够制造出带有数十亿个晶体管的小型计算机芯片。微芯片是引领当下信息时代的一大创造，这是一项影响现代生活各个方面的根本性创新。晶体管也是如此，它是一种微型固态电子管，取代了真空管。晶体管开启了电子技术的第二个时代，它由贝尔电话实验室（Bell Telephone Labs）的两位研究人员约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉顿（Walter Brattain）发明。微芯片和晶体管是本书以“20世纪创新发明”以及“有洞察力的工程师和科学家”为主题的众多故事中的两个。 本书是作者已故的父亲——普林斯顿大学的戴维·P.比林顿（David P. Billington, Sr.）教授——构思的系列丛书的第三部。这套丛书提供的资料描述了改变社会的工程师及其工程成就。丛书的另外两本书分别涉及1776—1883年和1876—1939年的工程创新和创新者。在20多年的时间里，我有幸与戴维·P.比林顿合作并共同教学。尽管本书由戴维·P.比林顿的儿子所撰写的关于20世纪的创新发明和创新者都是独立成章，但这本书亦可以作为教科书用于大学教学以及关于技术和社会的研究。 本书的主题广泛，涵盖了20世纪有关结构、机器、网络和工艺流程的工程创新。这些创新改变了我们的社会。例如，潜艇核动力——由海曼·里科弗提出的颠覆性技术——永远改变了海军，随之也改变了美国的核防御措施和政策；核动力潜艇几乎可以随时潜入水中，并在不被发现的情况下进行长途航行，这改变了全球国防的游戏规则。本书中的其他技术也具有颠覆力，包括由公共道路局的托马斯·麦克唐纳规划的州际公路系统，以及由英国皇家空军（Royal Air Force）飞行员和企业家弗兰克·惠特尔发明和推广的喷气发动机。高速公路在很大程度上取代了国家铁路运输系统。喷气式飞机大大缩短了人们的旅行时间，取代了长途汽车和轮船作为长途旅行工具。 除了20世纪颠覆性技术的故事之外，这本图文并茂的书还包含了对普通读者有用的技术思想，并不过分技术性。在阅读这本书的同时，不要忘记查看参考文献，这份作者精心挑选的资料是开始进一步研究这些重要工程创新和创新者的好资源。 迈克尔·利特曼 布朗大学计算机科学教授