美國在1776年宣布獨立時還是一個農(nóng)業(yè)社會，但現(xiàn)代工程很快就為社會帶來了變革。到20世紀(jì)20年代，美國憑借兩項超級創(chuàng)新（電力和內(nèi)燃機）的發(fā)展成為工業(yè)強國。而美國20世紀(jì)20年代之后的重大工程創(chuàng)新講述了一系列獨特的故事。

在美國墾務(wù)局的委派下，工程師弗蘭克·韋茅斯（Frank Weymouth）一改傳統(tǒng)壩體設(shè)計思路，采用拱形壩而非重力壩的結(jié)構(gòu)設(shè)計了胡佛大壩，在達(dá)到相同阻水效果的同時消耗了更少的建筑材料。西部不斷建起的大壩成功控制住了河流，使美國西部具備了建設(shè)現(xiàn)代生活的條件。在羅斯福政府的推動下，以工程師亞瑟·摩根為首的田納西河流域管理局（TVA）以此為藍(lán)本重新設(shè)計了流域內(nèi)的公共工程與生活方式。汽車的普及和車載重量的提升，對美國道路設(shè)計提出了更高的要求，在聯(lián)邦政府的支持下，托馬斯·麥克唐納（Thomas MacDonald）通過“貝茨道路測試”，重新設(shè)計了道路材料成分，并主張汽車采用對路面危害更小的充氣輪胎而非傳統(tǒng)的實心輪胎，進(jìn)一步推動了美國20世紀(jì)最偉大的基建項目——全國公路路網(wǎng)的建成，促進(jìn)了美國向郊區(qū)文明的轉(zhuǎn)變。在城市以公路為依托于平面上擴展的同時，工程師法茲勒·汗（Fazlur Khan）設(shè)計的框架筒體系結(jié)構(gòu)解決了城市建設(shè)超高層建筑的難題，這種使用更少鋼材料卻又能很好抵御風(fēng)力的框架式建筑結(jié)構(gòu)，使得美國城市不斷攀升的天際線成為可能。對核裂變的可控制使用成為50年代后能源領(lǐng)域的焦點，在美國海軍部的支持下，工程師海曼·里科弗（Hyman Rickover）創(chuàng)新設(shè)計了可移動式壓水核反應(yīng)堆，并成功運用在第一艘核動力潛艇“鸚鵡螺”號上。飛機飛行速度的不斷刷新對發(fā)動機的功力提出了新的要求，工程師弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）放棄了傳統(tǒng)的螺旋槳發(fā)動機方案，創(chuàng)新地提出使用葉片式轉(zhuǎn)輪壓縮空氣進(jìn)行燃燒來獲得推力的設(shè)計方案，即噴氣式發(fā)動機，使飛機飛行速度突破音速成為現(xiàn)實。對電路性能的進(jìn)一步追求催生了對于真空管變革的需求，在軍方買家的資助下，德州儀器公司工程師杰克·圣克萊爾·基爾比（Jack St.Clair Kilby）認(rèn)為晶體管和其他電路都可以由硅之類的單一材料制成，而非當(dāng)時業(yè)界公認(rèn)的必須摻雜其他元素，并在研究后重新設(shè)計了單片晶體管。羅伯特·諾伊斯則在基爾比“單片電路構(gòu)想”的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)機器組裝和二氧化硅層封裝能讓電路設(shè)計更為小型化與平面化，集成電路由此誕生;緊接著，在集成電路的帶動下，計算機以及計算機網(wǎng)絡(luò)獲得了革命性進(jìn)展……

這些關(guān)鍵的技術(shù)創(chuàng)新只是日常生活的一部分，但對大多數(shù)人而言，創(chuàng)造它的工程是遙遠(yuǎn)和難以理解的。很少有人知道支撐現(xiàn)代生活的主要技術(shù)是如何運行的，或者是如何產(chǎn)生的。大多數(shù)人將技術(shù)的革命性變革歸結(jié)于科學(xué)的創(chuàng)新以及科學(xué)家的貢獻(xiàn)，而非將之與工程設(shè)計和工程師相聯(lián)系。

理解這些工程創(chuàng)新，需要重新認(rèn)識創(chuàng)新在現(xiàn)代生活中的位置與狀態(tài)，區(qū)分工程與科學(xué)之間的差異，把握創(chuàng)新與社會之間的關(guān)聯(lián)與互動，并以此為起點構(gòu)建對于未來的憧憬。

再識創(chuàng)新

常規(guī)創(chuàng)新和激進(jìn)創(chuàng)新

技術(shù)創(chuàng)新以其對社會的工程重要性著稱，這種重要性可以從三個方面來考慮。大多數(shù)社會認(rèn)為創(chuàng)新是對現(xiàn)有商品和服務(wù)的改進(jìn)。這些進(jìn)步經(jīng)常發(fā)生，并且通常對企業(yè)的成功至關(guān)重要，但它們的重要性往往是短暫的。一種更重要的創(chuàng)新可以為現(xiàn)有產(chǎn)品引入新用途，或者引入對現(xiàn)有行業(yè)產(chǎn)生重大影響的新產(chǎn)品或新工藝。最后，有一小部分創(chuàng)新已經(jīng)在很長一段時間內(nèi)對社會產(chǎn)生了根本性的變革影響，例如一個多世紀(jì)前電力和機動車的發(fā)展，而導(dǎo)致今天數(shù)字計算的進(jìn)步可能是相對激進(jìn)的。

各種創(chuàng)新之間的差異并不是精確的，它們對現(xiàn)代社會都至關(guān)重要。關(guān)鍵在于，創(chuàng)新并不是在一個層面上持續(xù)不斷的變化。為清晰起見，我們采用航空歷史學(xué)家沃爾特·文森蒂（Walter Vincenti）對創(chuàng)新的兩個層次的區(qū)分。增量和中間創(chuàng)新可以歸類為常規(guī)創(chuàng)新，這類是公司和社會大部分時間都在做的創(chuàng)新類型?！凹みM(jìn)”一詞描述了以更根本的方式改變工程和社會的想法。

激進(jìn)創(chuàng)新的傳統(tǒng)描述是一兩個人的突破性思維，然后設(shè)計和展示原型。然而，一些激進(jìn)的創(chuàng)新更應(yīng)該被視為更大的集體努力。誠然，團隊努力并不意味著創(chuàng)新工作在某種程度上是非個人力量的結(jié)果。更大的群體的工作仍然是多個個體的工作的集合，個體有能力在必要時獨立思考，也有能力為一個共同目標(biāo)一起努力。

工程與科學(xué)

工程和科學(xué)這兩種活動，往往被公眾視為一個整體——科學(xué)。公眾通常認(rèn)為科學(xué)是新見解的源泉，而工程作為其應(yīng)用，這種描述具有誤導(dǎo)性。從廣義上講，科學(xué)家和工程師各有一項核心競爭力：對科學(xué)家來說，是發(fā)現(xiàn)關(guān)于自然以及自然存在的事物的新事實;對工程師來說，是對自然不存在的事物的設(shè)計。20世紀(jì)20年代以前，現(xiàn)代工程的大部分根本性進(jìn)步都沒有依賴于上述意義上的科學(xué)作為刺激。從那時起，科學(xué)知識一直是創(chuàng)新的一個更重要的要求，但工程設(shè)計洞察力仍然是技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

科學(xué)家和工程師都具有創(chuàng)造性，因為他們都質(zhì)疑知識的界限：科學(xué)家挑戰(zhàn)我們對自然的理解;而工程師挑戰(zhàn)我們對設(shè)計能力的理解。這兩類人也將對方的工作作為自己工作的一部分加以完成。但是術(shù)語的清晰性應(yīng)該被重視：當(dāng)在研究自然或自然屬性的一個方面時，實際上是在做科學(xué)工作;而從事設(shè)計工作時，實際上是在做工程工作。使用“科學(xué)”一詞來指代這兩種活動，實際上模糊了設(shè)計新事物所需的獨立思考能力。

如果將工程學(xué)認(rèn)為是應(yīng)用科學(xué)，其中科學(xué)提供了基本的知識，工程師只是找到了使用它的應(yīng)用方法，那么就不需要愛迪生所擁有的那種獨立洞察力。有些人可能將工程師的工作稱為應(yīng)用科學(xué)，但是如今工程師經(jīng)常利用科學(xué)知識，工程師是獨立思考并以工程需求為指導(dǎo)的設(shè)計師。

四個原型理念

我們將重大的創(chuàng)新突破分為四類：結(jié)構(gòu)、機器、網(wǎng)絡(luò)和過程。

這些類別是根據(jù)其基本功能進(jìn)行區(qū)分的。一個結(jié)構(gòu)可以支撐或承受重量，并需要盡可能穩(wěn)固，“結(jié)構(gòu)”上的主要突破包括大型水利工程、現(xiàn)代化公路橋梁和高層建筑。

“機器”通過移動自身的一部分或通過移動部件來工作，例如固定式蒸汽機、鐵路機車以及汽車和飛機中使用的內(nèi)燃機等原動機。

“網(wǎng)絡(luò)”是一個系統(tǒng)，它以最小的損失將某些東西從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方，電話網(wǎng)絡(luò)、電網(wǎng)、無線電和電視廣播以及使現(xiàn)代計算成為可能的電路都是以這種方式運行。

“過程”是一個系統(tǒng)，它可以將一種事物轉(zhuǎn)化或改變?yōu)榱硪环N事物，將鐵轉(zhuǎn)化為鋼、將原油轉(zhuǎn)化為汽油以及將其他化學(xué)品轉(zhuǎn)化為有用產(chǎn)品的過程就是例子。

這四種思維方式推動產(chǎn)生了現(xiàn)代工程的四個最初的分支：土木、機械、電氣和化學(xué)。

今天的許多工程學(xué)校內(nèi)部都劃分出了更多的系、項目和專業(yè)，許多工程理念涉及不止一個功能，例如20世紀(jì)的汽車工程整合了電力、化學(xué)燃燒、機械運動和鋼框架等功能。但是，結(jié)構(gòu)、機器、網(wǎng)絡(luò)和過程這四個概念有助于理解最重要的創(chuàng)新的工作原理。

三種視角

最后一組要區(qū)分的概念包括所有工程師在進(jìn)行設(shè)計之前必須回答的三個問題。首先，這個物件能不能被制造出來，它會不會是高效和安全的？這些問題通常涉及必須計算和測試的物理關(guān)系。其次，該物件能夠滿足的需求或潛在用途是什么？設(shè)計和制造的成本是多少？收益是否值得？這些問題通常以金錢來衡量，金錢將工程、經(jīng)濟和政治聯(lián)系起來。最后，如果該物件實用且確實能被制作出來，那么它是否還可以有一個吸引人的設(shè)計而不會顯著增加成本？它會改善生活質(zhì)量并對社會和自然環(huán)境產(chǎn)生可接受的影響嗎？這些問題很難通過測試和測量來回答。答案取決于設(shè)計師的審美眼光和道德判斷以及周圍社會的包容度。

這些擔(dān)憂意味著工程師有選擇的自由。任何設(shè)計都可能是達(dá)成某些目標(biāo)的幾種方法之一，擁有這種自由為工程師提供了想象新可能性的空間。同時，這種自由也伴隨著作出負(fù)責(zé)任選擇的義務(wù)：有效利用材料和經(jīng)濟地使用公共或私人資金，堅持較高的道德標(biāo)準(zhǔn)，改善自然環(huán)境和人類生活。社會也可以選擇如何資助和利用創(chuàng)新，但作為設(shè)計者，工程師負(fù)有首要責(zé)任。

如果沒有政府或私人投資者的資金支持，變革性創(chuàng)新就無法成功，而工人和消費者的貢獻(xiàn)對于實現(xiàn)這些創(chuàng)新也至關(guān)重要。社會可能會或可能不會為它們做好準(zhǔn)備，工程師可能會也可能不會預(yù)料到它們產(chǎn)生的效果。這種激進(jìn)的創(chuàng)新通常始于工程師的洞察力，他們能夠超越通常認(rèn)為的可能性。

政府的作用

20世紀(jì)后期，公眾針對政府的作用形成了兩種截然不同的觀點：政府是重大創(chuàng)新的刺激因素還是阻礙因素？由于這場爭論是關(guān)于政府所作所為的實際記錄，筆者涉及的技術(shù)表明，政府在所有發(fā)明創(chuàng)新中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但是政府的角色一直在改變。在電子領(lǐng)域，私人公司的工程師發(fā)明了晶體管和微芯片，但為了降低價格，需要聯(lián)邦政府大量采購新設(shè)備。計算機和互聯(lián)網(wǎng)最初是軍事項目，但需要私人投資才能發(fā)展成新的民用產(chǎn)業(yè)。聯(lián)邦政府和私營企業(yè)的互動方式很難與政府的兩極分化觀點相調(diào)和。

創(chuàng)新現(xiàn)在被許多人視為一個管理過程或“創(chuàng)新系統(tǒng)”的產(chǎn)品，它將政府、大學(xué)和企業(yè)聯(lián)結(jié)在一起進(jìn)行深入研究，其中專家同行團隊具有很大的影響力。“冷戰(zhàn)”期間，出于國防原因，聯(lián)邦政府增加了工程和科學(xué)研究方面的支出。今天，它不僅繼續(xù)支持國家安全，而且繼續(xù)開發(fā)新技術(shù)推動民用經(jīng)濟增長。

此間，我們提出了兩個關(guān)于聯(lián)邦政府支持下研究的未來發(fā)展問題。

第一個問題是，科學(xué)是否先于工程。核物理的科學(xué)發(fā)現(xiàn)直接激發(fā)了對核能的探索，并且科學(xué)在晶體管中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。但是在這兩種情況下的工程設(shè)計都來自不同且獨立的想象力和洞察力?？茖W(xué)原理和自然屬性的知識對于公共工程、新能源、航空航天和電子領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新是必要的，但科學(xué)并沒有提供設(shè)計所需的洞察力。工程和科學(xué)在未來可能會越來越交織在一起，但這兩者同樣是基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)，而不是一個來自另一個。

第二個問題是，將創(chuàng)新作為一種流程來管理和維持，是否對基本的工程洞察力有益。罕見的洞察力和（或）一次性目標(biāo)是創(chuàng)新的特征，而不是任何正常意義上的流程的一部分。一個將創(chuàng)新作為流程來管理的系統(tǒng)有一個內(nèi)置的機器映象，創(chuàng)新被視為來源于一種裝配線。這種模式擅長產(chǎn)生更有限和更頻繁的技術(shù)變化。基本的洞察力可能需要一個不以過程為導(dǎo)向的創(chuàng)新概念。

未來會怎樣

美國西北大學(xué)的羅伯特·戈登（Robert Gordon）觀察到，工業(yè)革命的許多成就都是一次性事件。戈登認(rèn)為社會不需要重新發(fā)明汽車，未來會有更好的創(chuàng)造。一個多世紀(jì)前開始的現(xiàn)代供水系統(tǒng)和衛(wèi)生設(shè)施、道路和橋梁、電力和其他技術(shù)也可能在工作方式上有所改進(jìn)，但在本質(zhì)上不需要重新發(fā)明。戈登認(rèn)為，社會最終會進(jìn)入一種以技術(shù)變革更為漸進(jìn)、增長更為緩慢為特征的發(fā)展模式。

雖然過去兩個世紀(jì)的發(fā)展趨勢支持戈登的論點，但也要強調(diào)這樣一個事實，即現(xiàn)代工程的趨勢也是將人類從不想做的工作中解放出來。工業(yè)革命用機器和無生命的能量代替了人類和動物的肌肉力量和能量。兩個世紀(jì)后，幾乎所有發(fā)達(dá)國家的人都可以從事非農(nóng)業(yè)工作。如果計算提高了機器能夠可靠運行的能力，那么機器將越來越多地取代人類勞動。與此同時，它們也能將更多人從不想做的工作中解脫出來。

在舊職業(yè)中被取代的人的后代在新職業(yè)中找到工作的模式可能會繼續(xù)下去。但是現(xiàn)代工程的長期發(fā)展趨勢表明，有一天工作本身會成為一種選擇而不是必需品。如果有一天機器將雇用人類的需求降低到目前水平的一小部分，就像20世紀(jì)的機器減少了農(nóng)業(yè)所需的人數(shù)一樣，那么這種自動化的好處似乎需要為人類共享，從那時起，工作可能會變得更加自愿。這可能是一個遙遠(yuǎn)的前景，但如果這一前景開始重塑社會對技術(shù)及其進(jìn)步的手段和目的的看法，可能會有所幫助。技術(shù)進(jìn)步是通向不斷變化的需求和欲望的手段，這種觀點只有在相對意義上才是正確的。事實上，人類的基本需求和欲望可能會以更持久的方式得到滿足，它讓人類可以從事其他活動，從而賦予人類生活其他意義。

現(xiàn)代社會首先必須使自己與自然保持可持續(xù)的平衡。偉大的創(chuàng)新產(chǎn)生了意想不到的后果，21世紀(jì)最大的工程挑戰(zhàn)可能是減輕現(xiàn)代文明對自然環(huán)境的壓力。這種壓力對氣候產(chǎn)生了危險的影響，使得疾病更容易從動物傳播到人類。新的危險也可能因技術(shù)進(jìn)步而出現(xiàn)，這些技術(shù)進(jìn)步是社會在道德層面上準(zhǔn)備好管理它們之前出現(xiàn)的。這種風(fēng)險在使用計算機進(jìn)行監(jiān)控時顯而易見，同時風(fēng)險也可能出現(xiàn)在生物工程、生物合成和人類基因組操作中。這些前景強調(diào)了工程師和科學(xué)家的責(zé)任，他們知道如何處理這些事情。盡管受制于效率和經(jīng)濟需求，現(xiàn)代工程并不是不可避免的“最佳方法”，也不是假定的技術(shù)命令的操作。工程師和整個社會一樣，對自己作出的選擇有一定程度的自由和責(zé)任。

對大多數(shù)技術(shù)工作來說，現(xiàn)在需要的知識和技能水平比一個世紀(jì)前更高，但是僅靠技能無法產(chǎn)生富有成效的新見解。目前的工程知識和技能教授人們解決問題的方法，從根本上來說，這些問題已經(jīng)為人所知了，這種知識只能在一定程度上幫助解決超出已知范圍的問題。根本的創(chuàng)新需要一種新思維，對工程師及其作品的研究可能最能解釋和傳授這種新思維。了解早期創(chuàng)新者是如何克服障礙和挑戰(zhàn)的，可以讓工程師和更多公眾深入了解現(xiàn)代文明是如何演變的，以及主要創(chuàng)新包括哪些內(nèi)容。

人類天生好奇，挑戰(zhàn)和機遇將持續(xù)激發(fā)人們非常規(guī)的洞察力。研究突破性工程創(chuàng)新的歷史是為了了解最深刻的技術(shù)變革是如何發(fā)生的。而真正的挑戰(zhàn)可能是如何應(yīng)對這一變化。