章 河流與地區

一、水與國家發展  

二、科羅拉多河協定  

三、設計胡佛大壩  

四、建造胡佛大壩  

五、中央河谷工程  

六、哥倫比亞河  

七、密蘇裡河  

八、遺產和未來  

第二章 田納西河流域管理局

一、亞瑟摩根和邁阿密保護區

二、田納西河和威爾遜大壩  

三、田納西河流域管理局  

四、相互矛盾的願景  

五、戰後的田納西河流域管理局  

六、回顧三位主管

第三章 高速公路與摩天大樓

一、現代道路建設  

二、道路和研究

三、美國國家高速公路網

四、現代高速路  

五、州際公路繫統  

六、公路與橋梁  

七、不斷攀升的天際線  

八、摩天大樓新時代

九、機器和基建  

第四章 核能

一、核能與原子彈  

二、核能與海曼裡科弗

三、建造“鸚鵡螺”號

四、民用核能與三裡島

五、對核聚變的探索  

六、核能的經驗教訓

第五章 噴氣發動機和火箭

一、螺旋槳飛機的局限性  

二、弗蘭克惠特爾與噴氣式飛機

三、研發噴氣發動機  

四、從渦輪噴氣發動機到渦輪風扇發動機

五、羅伯特戈達德與現代火箭  

六、美國國家航空航天局與登月

七、“阿波羅”計劃的未來願景

第六章 晶體管

一、真空管及其局限

二、雷達和硅的提純

三、固態器件難題

四、巴丁和布拉頓的突破  

五、晶體管電子學的興起

六、晶體管科學與工程 

第七章 微芯片

一、從無線電到晶體管

二、大膽行動

三、微模塊與分子電子學

四、單片電路構想

五、從平面工藝到集成電路

六、微芯片迅速普及

七、新經濟

第八章 計算機和互聯網

一、現代計算機的起源  

二、大型機時代  

三、電視機  

四、微處理器  

五、喬布斯、沃茲尼亞克和蘋果計算機  

六、蓋茨、艾倫和微軟  

七、互聯網的興起  

八、萬維網

九、計算機創新

結論

致謝

注釋

索引

本書講述了20世紀20年代至今影響美國社會乃至全球的繫列重大科技創新與工程項目的發展歷史。本書揭示出創新既需要創新者洞察世事變化的敏銳眼光，更需要持之以恆的專業精神。當前，人類正邁入數字化創新的時代，特別需要具有戰略眼光的科學家、包容開放的社會環境和國家政府的大力支持，助力我國若干重大工程項目的建成。希望本書能夠對工程科技創新和工程管理實踐工作有所啟示。

——清華大學經濟管理學院教授、中國管理科學學會副會長 陳勁

核能對人類社會的影響不亞於普羅米修斯的“火種”重新降臨人間。核武器是核能的不可控釋放，對人類社會具有破壞性和潛在的毀滅性；與此同時，核裂變反應堆為人類提供能源，成為化石能源的重要補充部分。但作為終極能源的核能技術——核聚變，隨時可能迎來突破，目前的主要挑戰是如何制造經濟型聚變反應堆。一旦攻克這一難題，一個綠色、經濟的終極能源時代將到來。我向讀者強烈推薦《思維決定創新》一書，您可從本書中窺見核能發展的歷程，領略“思維與創新”的人類奇跡。

——北京應用物理與計算數學研究所研究員 楊顯俊

從三峽工程、南水北調到高鐵網絡、港珠澳大橋、大飛機工程、新能源產業和半導體產業，我國在工程領域已經創造了並正在創造著無數的偉大成就。在地球的另一端，從水利工程到交通網絡，從航空航天到核能，從電子工業到互聯網，美國兩百年來也取得了輝煌的工程成就。這也讓我們有必要靜下心來，仔細研究彼此的成就及其背後的秘密，梳理科學、工程和創新的關繫。

——中國移動通信集團有限公司研究院首席專家 劉光毅

中文版推薦序 

從洞見到創新

本書講述的是1920年以來改變美國乃至世界的一繫列重要的技術創新，以及這些創新從產生到實現的全過程。這些創新既包括了美國的大型公共工程，例如胡佛大壩、高速公路以及登月工程，也包括了晶體管、集成電路、計算機和互聯網。

通過詳細描述這些創新的故事，作者希望告訴我們，有的創新伴隨著科學的重大發現和發明，有的創新是利用現有技術的組合，而有的創新是在現有的技術上改進完善以解決重大的現實問題。其次，所有這些創新都是通過工程來實現的，因此對於越來越多的漸進型創新來說，工程師的創造性思維和工程上的實現特別重要。後，對於很多公共工程領域的技術創新，政府的支持也是不可或缺的。

本書既可以作為一本技術素養的普及讀物，也可以作為一本技術創新的勵志教材，書中的故事引人入勝。例如，20世紀20年代初期，美國墾務局（Bureau of Reclamation）總工程師弗蘭克·韋茅斯（Frank Weymouth）接到了胡佛大壩（Hoover Dam）的設計任務，他打破了工程師傳統的重力壩設計思路，改用拱形水壩設計。所謂重力壩，就是依靠大量混凝土質量或重量來阻擋水流趨勢；而拱形設計可以將水平力向四周傳導，以分散水勢的壓力。與重力壩相比，拱形水壩所需的材料更少，卻能與重力壩一樣，達到的相同效果。在大壩建設的相近時間，美國國內汽車的登記數量達到800萬臺，汽車的普及對美國道路提出了更高的要求，由托馬斯·麥克唐納（Thomas MacDonald）領導的公共道路局籌劃並建設了美國20世紀偉大的基建項目——全國公路路網。麥克唐納對車輛和路面之間的相互作用進行了科學研究，發現路面不平整對道路的損害要大於汽車重量造成的損害，因此開始采用波特蘭水泥或瀝青制成的混凝土鋪設道路代替原先的碎石鋪設路面；更為重要的發現是，充氣輪胎給路面帶來的危害遠小於當時的實心輪胎，於是汽車都開始采用充氣輪胎。1945年後，美國大城市核心商業區地產價格不斷攀升，對高層建築的需求隻增不減，但是高層建築的造價卻極其高昂。工程師法茲勒·汗（Fazlur Khan）開始思考摩天大樓的造價問題，並用框架筒體繫解決了這一難題。所謂的框架筒體繫，是指一幢大樓能通過外部的框架受力，形成盒狀，即將建築包裹成正方體或者長方體一樣的筒。比起過去利用立柱和橫梁平均分擔的方式，這種方式能夠更好地抵御風力，並且使用較少的鋼材。20世紀50年代，核裂變作為核能的替代能源一直是研究焦點。1948年7月，美國海軍船舶管理局決定任命海曼·裡科弗（Hyman Rickover）負責研制一種可控的核裂變作為動力的潛艇研發項目。當時潛艇普遍采用內燃機和電池保持航行，這樣的動力組合難以保持長時間續航。如果能夠利用少量鈾產生的核能將水加熱成蒸汽，就可以驅動發動機，使潛艇保持數周或數月在水下工作。但是，當時沒有將核裂變能量轉變為電能的實用繫統，並且潛艇內部空間有限，潛艇的核動力繫統必須能夠承受運動和作戰帶來的衝擊；此外，核動力繫統還存在輻射的危險。裡科弗和工程師們通過設計一種名為Mark Ⅰ的動力繫統順利完成了一次發熱的可控核裂變反應。20世紀30年代，工程師們發現螺旋槳技術存在局限性，即隨著螺旋槳葉的旋轉速度接近聲速，機頭的空氣阻力急劇上升，飛行高度受到限制。弗蘭克·惠特爾（Frank Whittle）認為，通過使用液體在燃燒室形成壓縮空氣然後噴射出來形成推動力，可以設計出飛行更高、更快的噴氣式發動機。惠特爾設計的渦輪噴氣發動機包括軸、壓縮機葉輪和渦輪，將空氣送入發動機，機身尾部的一個噴嘴排出尾氣。試驗表明，與英國好的螺旋槳戰機相比，該機的速度和機動性具有極大優勢。20世紀50年代，晶體管發展遇到新的問題，買家（尤其是軍方買家）需要在電子設備中添加更多電路，以滿足不斷增加的性能需要，這就需要壓縮電路體積。1958年夏天，德州儀器公司的傑克·聖克萊爾·基爾比（Jack St. Clair Kilby）認為晶體管和其他電路都可以由硅之類的單一材料制成，而不是當時業界公認的必須加素。1959年初，加利福尼亞州仙童半導體公司的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）發現，可以利用機器組裝整個電路，無須人工連接。基爾比和諾伊斯的發現促進了集成電路（又稱為微芯片）的
誕生。

這本書是美國關於技術創新三部曲的第三部。在介紹這些重大技術創新的來龍去脈的同時，作者用簡單、易懂的數學概念和圖形為讀者清晰闡釋了技術創新路線，讓讀者深入淺出地了解技術創新原理以及工程實現的全過程，可讀性很強。

當前，我們正處在百年變局和民族復興的重要歷史時期，建設創新型國家和制造業強國都迫切需要提高全民族的創新意識和工程素養，因此了解歷史上重大的技術創新的產生背景和實現過程非常必要，尤其需要了解工程思想和工程師在其中所起的重要作用。

希望大家喜歡這本書。

廖 理

清華大學五道口金融學院教授、博士生導師

2022年4月  於北京

英文版推薦序

創新改變了我們的社會

“我擁有了自己的想法和想像力”——傑克·聖克萊爾·基爾比是這樣描述他開發出微芯片的過程的。微芯片仍在繼續塑造著我們的現代世界。微芯片技術使得人們在一小片硅上能夠制造出帶有數十億個晶體管的小型計算機芯片。微芯片是引領當下信息時代的一大創造，這是一項影響現代生活各個方面的根本性創新。晶體管也是如此，它是一種微型固態電子管，取代了真空管。晶體管開啟了電子技術的第二個時代，它由貝爾電話實驗室（Bell Telephone Labs）的兩位研究人員約翰·巴丁（John Bardeen）和沃爾特·布拉頓（Walter Brattain）發明。微芯片和晶體管是本書以“20世紀創新發明”以及“有洞察力的工程師和科學家”為主題的眾多故事中的兩個。

本書是作者已故的父親——普林斯頓大學的戴維·P.比林頓（David P. Billington, Sr.）教授——構思的繫列叢書的第三部。這套叢書提供的資料描述了改變社會的工程師及其工程成就。叢書的另外兩本書分別涉及1776—1883年和1876—1939年的工程創新和創新者。在20多年的時間裡，我有幸與戴維·P.比林頓合作並共同教學。盡管本書由戴維·P.比林頓的兒子所撰寫的關於20世紀的創新發明和創新者都是獨立成章，但這本書亦可以作為教科書用於大學教學以及關於技術和社會的研究。

本書的主題廣泛，涵蓋了20世紀有關結構、機器、網絡和工藝流程的工程創新。這些創新改變了我們的社會。例如，潛艇核動力——由海曼·裡科弗提出的顛覆性技術——永遠改變了海軍，隨之也改變了美國的核防御措施和政策；核動力潛艇幾乎可以隨時潛入水中，並在不被發現的情況下進行長途航行，這改變了全球國防的遊戲規則。本書中的其他技術也具有顛覆力，包括由公共道路局的托馬斯·麥克唐納規劃的州際公路繫統，以及由英國皇家空軍（Royal Air Force）飛行員和企業家弗蘭克·惠特爾發明和推廣的噴氣發動機。高速公路在很大程度上取代了國家鐵路運輸繫統。噴氣式飛機大大縮短了人們的旅行時間，取代了長途汽車和輪船作為長途旅行工具。

除了20世紀顛覆性技術的故事之外，這本圖文並茂的書還包含了對普通讀者有用的技術思想，並不過分技術性。在閱讀這本書的同時，不要忘記查看參考文獻，這份作者精心挑選的資料是開始進一步研究這些重要工程創新和創新者的好資源。

邁克爾·利特曼

布朗大學計算機科學教授