第一个阶段：从美国独立到内战结束。工程师们开创了钢铁、纺织、电报通信等新型工业，以及汽船和铁路运输的新型运输方式。
第二个阶段：从19世纪70年代到20世纪30年代。工程师们通过电话、钢铁、化学制品、汽车、飞机、无线电、配电以及在建筑中使用新材料（钢铁和混凝土）等，将美国从一个以农村和农业为主的社会转变为一个以城市和工业为主的社会。
第三个阶段：与第二个阶段的20世纪20年代至30年代重叠。当时工程师们开始管控河流以获取水源和电力，并开始在国家内部铺设公路。高速公路和摩天大楼出现在20世纪50年代和60年代。1945年后，核能引入了一种新的能源，但有争议。喷气发动机改变了空中旅行，火箭进入了外层空间。一场电子和计算领域的革命开始了，至今仍在进行。
密西西比河以西建造的大坝使美国西部获得惊人发展。尽管这些大坝的规模庞大，但这些建筑与自然的关系仍然脆弱，尤其是在气候变化可能影响降雨量的地方。然而，如果不能以更自然的方式管理海平面上升和洪涝灾害事件，其他地方可能仍然需要防水屏障。社会越来越依赖太阳能和风能作为能源，而在这些能源在日常供应并不稳定时，运用水力发电也在所难免。水库形成了稳定的能量储备，大坝可以迅速利用这些储备来保持电力供需平衡。
TVA比西部任何大坝都有更重要的使命：利用工程技术改善土地使用，以更低的价格供电，并控制一条主要河流，从而减轻广大地区的贫困。虽不能让每个人都受益，但该机构确实改善了当地许多人的生活。亚瑟·摩根对可再生能源的使用以及对更符合道德的生活方式的强调，预示了21世纪的一些问题。但是摩根的工程依赖于现代工业，他给当地设定的自给自足目标并没有实现。大卫·利连塔尔将田纳西河流域管理局视为证明政府能够满足私营企业未能提供的社会重要需求的一种手段。他的努力是政府在社会中的作用的一个历史性事件，但他的区域管理模式没有普及到美国其他地方。1945年后，TVA放弃了许多初始的目标。近年来，该机构努力履行其供电义务，同时促进区域更可持续的发展。
联邦高速公路项目起始于美国高速公路，接着是州际高速公路系统，由此建立了一个机动车辆运输的全国性网络。城市也随着高楼大厦的建设直冲云际。每天有百万人员远距离移动，随之而来的是逐渐形成的郊区文明。虽然托马斯·麦克唐纳规划了公路网，但离不开他的部门与州际工程师的合作、民众参与道路建设工作以及汽车工业和化石能源燃料的兴起。更高的人口密度、新的经济活动模式和施加于自然环境的压力可能会改变这种生活方式。然而，延续高度流动文明的新方法可能无法解决更深层次的问题。正如作者的父亲在1974年写道：“美国人首先向西迁移，然后到郊区，现在依然在迁移。”未来在现代工程中，可能需要在赋予自由和流动性的事物与赋予归属感和场所感的事物之间取得更好的平衡。
海军上将里科弗为美国海军设计的核动力潜艇满足了其他技术无法提供的需求。但里科弗认识到，一个利用核能的系统需要非常严格的工程和问责标准，才能确保其设计和运行的安全。核能并没有实现其会使能源价格下降的承诺。1979年三里岛的一个民用核反应堆的失败证明了里科弗严格关注安全的必要性，以及严格关注在深水中提取化石燃料和在陆地上进行新型钻探所造成的环境破坏的必要性。尽管运行中的核电站不排放温室气体，但它们会产生放射性废物，而且核能的使用前景也不确定。核能创新的教训是必须谨慎对待各类危险的工程和科学。
喷气发动机和火箭的最初设计归功于两个人——弗兰克·惠特尔和罗伯特·戈达德。1945年后，飞机和宇宙飞船的设计最初是为军事目的而受资助的新航天工业的工作。由喷气式发动机推动的民用飞机在很大程度上取代了长途运输的铁路，登月也是世界历史上的一个独特时刻。然而，1970年后，喷气式飞机工程没有很大的改进，后来太空计划也减少了。只有当喷气式发动机有同样高效和更适用的替代方案时，或者现代生活对速度的要求降低时，喷气式发动机才可能继续使用下去。除非受到新的安全压力或不寻常的事件（如发现外星生命）的推动，否则进入外层空间的冒险探索将继续以更慢的速度进行。
定义21世纪早期的技术是数字计算，随着20世纪40年代末晶体管的发明，数字计算变得更加实用。1945年，时任总统科学顾问的范内瓦·布什认为，不带任何实际目的而研究自然的基础科学研究是所有重要技术创新的源泉。晶体管长期以来被认为是纯科学研究（在量子物理学）之后的技术进步的典范。但是想象一下晶体管需要一个预先的研究工程图像三极管。20世纪30年代，新物理学表明固态三极管或许会成为可能，但战时半导体提纯技术的进步必须放在首位。约翰·巴丁和他的同事沃尔特·布拉顿必须更深入地研究半导体的自然属性，因为1945年的科学还不支持简单应用。但是在晶体管的发展过程中，工程和科学同样是创新的基础。
晶体管发明十年后，它的制造面临着一个障碍，即如何将电子电路微型化，使其大小小于人手所能组装的规模。美国武装部队招募了领先的电子公司来解决这个问题，结果却失败了。杰克·基尔比认识到，简单地在一个单一材料上制作电路，就没有必要将不同材料组成的部件连接在一起。罗伯特·诺伊斯意识到他的公司刚刚发明的制造晶体管的新方法也可以制造更小尺寸的完整电路。将这两种观点结合起来，就产生了集成电路或微芯片，不需要新的科学。贝尔电话实验室在20世纪50年代末选择专注于改进他们标志性的创新产品——晶体管。基尔比和诺伊斯具有新公司提供的创新微芯片的自由和动力。
晶体管和微芯片说明了洞察力如何在不同的环境中发挥作用的。然而，不同的环境对工程来说很重要：晶体管在小型初创公司中更难开发，而微芯片不需要大型实验室和较长的研究时间。晶体管和微芯片研发的共同点是他们的工程师同事在高层管理人员的支持下进行革命性思考的能力。
通用电子计算机始于美国的一个军事项目，私营工业于20世纪50年代开始制造这种机器。20世纪70年代之前，计算机一直为大型组织机构所拥有，直到微处理器的发明让个人可以拥有计算机。史蒂夫·乔布斯和斯蒂夫·沃兹尼亚克成功开发了一款商业个人计算机。随后，在比尔·盖茨等人编写的软件帮助下，IBM的一位工程师迅速开发出了一种更开放的硬件设计，这种设计演变成了台式机计算的主导标准。20世纪60年代，互联网也是作为一个军事项目被开发的；20世纪90年代，蒂姆·伯纳斯·李通过万维网将互联网带给了更广泛的公众；21世纪初，史蒂夫·乔布斯将计算和通信集成到消费者的手持设备中。其他制造商紧随其后，推出了自己的设备，这些设备传播到了世界各地，现代生活随之也越来越数字化。
美国一直依赖于早期工程。水路和铁路仍然承载着很大一部分货物运输，一个世纪前出现的许多行业到今天仍然很重要。然而，20世纪20年代后，这在两个方面出现了变化。首先，20世纪30年代和40年代，联邦政府在承担大型公共工程项目方面发挥了越来越大的影响力。1945年后，联邦政府资助了新公路、新航空航天和电子工业的发展，并继续支持工程和科学领域的高级研究。其次，重大创新轨迹发生变化。直到1970年前后，根本性创新有一个向外和向上的发展趋势，表现在河流工程、远距离公路、摩天大楼、喷气式飞机和太空旅行方面。后来，一种更加向内的势头开始形成，以越来越小尺寸的电子电路设计为代表，带来了一种不同的变化。政府的角色和发展趋势的转移对未来提出了重要的问题。
20世纪30年代之前，联邦政府规模相对较小，在此之前，私营企业主要依靠私人对商品和服务的需求。到20世纪中叶，这种情况发生了变化。20世纪20年代和30年代，公共事业支出增加。1945年后，美国需要更大规模的和平时期武装力量。20世纪50年代和60年代，出于国家安全考虑，联邦政府资助了高速公路、核电、航空航天工业、电子产品和高等教育。联邦预算的规模使其成为经济生活的核心部分。
20世纪后期，公众针对政府的作用形成了两种截然不同的观点：政府是重大创新的刺激因素还是阻碍因素？由于这场争论是关于政府所作所为的实际记录，本书涉及的技术表明，政府在所有发明创新中发挥了至关重要的作用，但是政府的角色一直在改变。在电子领域，私人公司的工程师发明了晶体管和微芯片，但为了降低价格，需要联邦政府大量采购新设备。计算机和互联网最初是军事项目，但需要私人投资才能发展成新的民用产业。联邦政府和私营企业的互动方式很难与政府的两极分化观点相调和。
创新现在被许多人视为一个管理过程或“创新系统”的产品，它将政府、大学和企业联结在一起进行深入研究，其中专家同行团队具有很大的影响力。“冷战”期间，出于国防原因，联邦政府增加了工程和科学研究方面的支出。今天，它不仅继续支持国家安全，而且继续开发新技术推动民用经济增长。本书所举的示例提出了两个关于联邦政府支持下研究的未来发展问题。
第一个问题是，科学是否先于工程。核物理的科学发现直接激发了对核能的探索，并且科学在晶体管中发挥了至关重要的作用。但是在这两种情况下的工程设计都来自不同且独立的想象力和洞察力。科学原理和自然属性的知识对于公共工程、新能源、航空航天和电子领域的突破性创新是必要的，但科学并没有提供设计所需的洞察力。工程和科学在未来可能会越来越交织在一起，但这两者同样是基础研究的基础，而不是一个来自另一个。
第二个问题是，将创新作为一种流程来管理和维持，是否对基本的工程洞察力有益。罕见的洞察力和（或）一次性目标是创新的特征，而不是任何正常意义上的流程的一部分。一个将创新作为流程来管理的系统有一个内置的机器映象，创新被视为来源于一种装配线。这种模式擅长产生更有限和更频繁的技术变化。即使是联邦“国防高级研究计划局模型”给予研究人员广泛的自由，也通常会要求在五年或更短的时间内获得结果。如要继续下去，基本的洞察力可能需要一个不以过程为导向的创新概念。
本书提出的创新的不同之处是，研究者是以长期发展方向作为研究对象。从20世纪20年代到60年代，工程学延续了早期对创新的追求，通过重建景观大坝和公路等公共工程向外延伸，通过摩天大楼、喷气式飞机和太空旅行向上延伸。20世纪后期，美国和其他发达国家的技术重点向内转移，转向越来越小的物理领域的创新，最突出的是微芯片上的电路。联邦政府减少在国防和大型基础设施项目上的支出解释了这一转变的部分原因，但经济大环境也发生了变化，这可能强化了这种新的关注点。
到20世纪70年代，始于20世纪初的工业已经成熟，也就是说，生产不再像1900—1929年那样迅速扩张（1945年后的一段时间再次扩张）。美国的主导行业——汽车工业——从早期的彻底创新发展到“二战”后的基础标准化，强调渐进变革，人均汽车数量在1970年后大致稳定。就业也发生了变化。20世纪初，离开农场的人可以在新的钢铁、汽车和电器行业找到半熟练的工作。相比之下，20世纪后期增长迅速的产业在国内雇用的人更少，并且需要更高的技能。由于技术需求更稳定和持续的自动化，旧工业需要的人也在减少。
美国人倾向于用机器来看待技术。机器是大规模生产的，以同样的方式在各地工作，通常是私人拥有和使用，很快就过时了。但是，如果21世纪的挑战与经济安全和可持续性有关，人们可能会对地方问题、公共需求和持久问题重新产生兴趣，这些都与社会的结构性需求有关。
这本书省略了农业和医学的主要进展，只简要地涉及军事领域的进展。对20世纪的生产至关重要的可替换或标准化零件的想法实际上始于19世纪的火器制造。对现代生活的改善至关重要的是更好地理解植物、动物和微生物，以及在疾病和许多致残病因和治疗方面的医学发现。但公共卫生的进步也取决于供水和土木工程卫生，正是农业和食品运输的机械化结束了饥荒，使大多数人得以在城市和郊区工作。如今，这些进展对当今生活提出了值得关注的问题：水和食品供应的可持续性、健康安全以及可能被武器化的新兴技术。这些问题在本书中无法得到更完美的答案，但它们值得在未来被持续关注。
未来会怎样？美国西北大学的罗伯特·戈登（Robert Gordon）观察到，工业革命的许多成就都是一次性事件。戈登认为社会不需要重新发明汽车，未来会有更好的创造。一个多世纪前开始的现代供水系统和卫生设施、道路和桥梁、电力和其他技术也可能在工作方式上有所改进，但在本质上不需要重新发明。戈登认为，社会最终会进入一种以技术变革更为渐进、增长更为缓慢为特征的发展模式。
虽然过去两个世纪的发展趋势支持戈登的论点，但也要强调这样一个事实，即现代工程的趋势也是将人类从不想做的工作中解放出来。工业革命用机器和无生命的能量代替了人类和动物的肌肉力量和能量。两个世纪后，几乎所有发达国家的人都可以从事非农业工作。如果计算提高了机器能够可靠运行的能力，那么机器将越来越多地取代人类劳动。与此同时，它们也能将更多人从不想做的工作中解脱出来。
在旧职业中被取代的人的后代在新职业中找到工作的模式可能会继续下去。但是现代工程的长期发展趋势表明，有一天工作本身会成为一种选择而不是必需品。如果有一天机器将雇用人类的需求降低到目前水平的一小部分，就像20世纪的机器减少了农业所需的人数一样，那么这种自动化的好处似乎需要为人类共享，从那时起，工作可能会变得更加自愿。这可能是一个遥远的前景，但如果这一前景开始重塑社会对技术及其进步的手段和目的的看法，可能会有所帮助。技术进步是通向不断变化的需求和欲望的手段，这种观点只有在相对意义上才是正确的。事实上，人类的基本需求和欲望可能会以更持久的方式得到满足，它让人类可以从事其他活动，从而赋予人类生活其他意义。
现代社会首先必须使自己与自然保持可持续的平衡。伟大的创新产生了意想不到的后果，21世纪最大的工程挑战可能是减轻现代文明对自然环境的压力。这种压力对气候产生了危险的影响，使得疾病更容易从动物传播到人类。新的危险也可能因技术进步而出现，这些技术进步是社会在道德层面上准备好管理它们之前出现的。这种风险在使用计算机进行监控时显而易见，同时风险也可能出现在生物工程、生物合成和人类基因组操作中。这些前景强调了工程师和科学家的责任，他们知道如何处理这些事情。尽管受制于效率和经济需求，现代工程并不是不可避免的“最佳方法”，也不是假定的技术命令的操作。工程师和整个社会一样，对自己做出的选择有一定程度的自由和责任。
对于大多数技术工作来说，现在需要的知识和技能水平比一个世纪前更高，但是仅靠技能无法产生富有成效的新见解。目前的工程知识和技能教授人们解决问题的方法，从根本上来说，这些问题已经为人所知了，这种知识只能在一定程度上帮助解决超出已知范围的问题。根本的创新需要一种新思维，对工程师及其作品的研究可能最能解释和传授这种新思维。了解早期创新者是如何克服障碍和挑战的，可以让工程师和更多公众深入了解现代文明是如何演变的，以及主要创新包括哪些内容。
人类天生好奇，挑战和机遇将持续激发人们非常规的洞察力。研究突破性工程创新的历史是为了了解最深刻的技术变革是如何发生的。而真正的挑战可能是如何应对这一变化。
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