工程之書

序文

條目
西元前3萬年／弓箭
西元前3300年／狩獵採集工具
西元前2550年／吉薩大金字塔
西元前2000年／因紐特技術
西元前1400年／混凝土
西元前625年／瀝青混凝土
西元前438年／巴特農神殿
西元前312年／古羅馬輸水道
西元前100年／水車
西元79年／龐貝
西元1040年／指南針
西元1144年／聖丹尼聖殿
西元1300年／拋石器
西元1372年／比薩斜塔
西元1492年／木造橫帆船
西元1600年／萬里長城
西元1620年／甘特鏈
西元1670年／機械式擺鐘
西元1750年／耶茨磨坊的簡單機械
西元1773年／爆破拆卸
西元1784年／動力織布機
西元1790年／棉紡廠
西元1794年／軋棉機
西元1800年／高壓蒸汽機
西元1823年／桁架橋
西元1824年／壬色列理工學院
西元1825年／伊利運河
西元1830年／拇指湯姆型蒸汽火車頭
西元1835年／聯合收割機
西元1837年／電報系統
西元1845年／大量生產
西元1845年／隧道鑽鑿機
西元1846年／縫紉機
西元1851年／美國杯帆船賽
西元1854年／水處理
西元1855年／柏思麥法
西元1856年／塑膠
西元1858年／大笨鐘
西元1859年／油井
西元1859年／現代下水道系統
西元1860年／路易維爾水塔
西元1861年／瓦姆蘇塔煉油廠
西元1861年／電梯
西元1869年／美國橫貫鐵路
西元1873年／纜車
西元1876年／電話
西元1878年／電力網
西元1879年／碳纖維
西元1885年／增壓器與渦輪增壓器
西元1885年／華盛頓紀念碑
西元1886年／自由女神像
西元1889年／艾菲爾鐵塔
西元1889年／霍爾－埃魯煉鋁法
西元1890年／蒸汽渦輪機
西元1891年／卡內基音樂廳
西元1891年／須德海工程
西元1893年／二衝程柴油引擎
西元1893年／摩天輪
西元1897年／柴油機車
西元1899年／去纖維顫動器
西元1902年／空調系統
西元1903年／心電圖
西元1903年／萊特兄弟的飛機
西元1905年／人造板
西元1907年／專業工程師認證
西元1908年／內燃機
西元1910年／腹腔鏡手術
西元1912年／鐵達尼號
西元1913年／伍爾沃斯大樓
西元1914年／巴拿馬運河
西元1917年／雷射
西元1917年／胡克望遠鏡
西元1919年／婦女工程協會
西元1919年／下摩擦雲霄飛車
西元1920年／金索棧橋
西元1920年／無線電台
西元1921年／機器人
西元1926年／心肺機
西元1927年／電冷凍
西元1931年／帝國大廈
西元1935年／磁帶錄音
西元1936年／胡佛水壩
西元1937年／金門大橋
西元1937年／興登堡號
西元1937年／渦輪噴射發動機
西元1937年／磁浮列車
西元1938年／一級方程式賽車
西元1939年／諾頓投彈瞄準器
西元1939年／彩色電視
西元1940年／塔科馬海峽吊橋
西元1940年／雷達
西元1940年／鈦
西元1941年／摻雜矽
西元1942年／展頻技術
西元1943年／透析機
西元1943年／水肺
西元1944年／直升機
西元1945年／鈾濃化技術
西元1945年／「三一」核彈
西元1946年／ENIAC：第一部電腦
西元1946年／上開式洗衣機
西元1946年／微波爐
西元1946年／輕水反應器
西元1947年／AK-47突擊步槍
西元1947年／電晶體
西元1948年／有線電視
西元1949年／塔式起重機
西元1949年／原子鐘
西元1949年／積體電路
西元1950年／會下棋的電腦
西元1951年／噴射發動機測試
西元1952年／中樞灌溉系統
西元1952年／3D眼鏡
西元1952年／「常春藤麥克」氫彈
西元1953年／汽車安全氣囊
西元1956年／硬碟
西元1956年／第一條跨大西洋海底電纜
西元1957年／冷凍披薩
西元1957年／人造衛星
西元1958年／機艙增壓系統
西元1959年／海水淡化
西元1960年／無塵室
西元1961年／T1線路
西元1961年／綠色革命
西元1962年／SR-71偵察機
西元1962年／原子鐘無線電波發射台
西元1963年／開闔式體育場屋頂
西元1963年／輻照加工食品
西元1964年／頂級燃油直線加速賽車
西元1964年／滴灌技術
西元1964年／天然氣載運船
西元1964年／子彈列車
西元1965年／聖路易大拱門
西元1965年／集束彈藥
西元1966年／複合弓
西元1966年／翼傘
西元1966年／球燃料床核反應器
西元1966年／動態隨機存取記憶體
西元1967年／汽車排放控制系統
西元1967年／阿波羅一號
西元1967年／農神五號火箭
西元1968年／C-5「銀河」運輸機
西元1968年／波音747巨無霸客機
西元1969年／登陸月球
西元1969年／ARPANET網路
西元1969年／太空衣
西元1970年／液晶螢幕
西元1970年／阿波羅13號
西元1970年／光纖通訊
西元1971年／防鎖死煞車系統
西元1971年／月球車
西元1971年／微處理器
西元1971年／加拿大氘鈾反應器
西元1971年／電腦斷層掃描
西元1971年／發電廠洗滌塔
西元1971年／克維拉
西元1972年／基因工程
西元1973年／紐約世貿中心
西元1975年／路由器
西元1976年／協和式客機
西元1976年／加拿大國家電視塔
西元1976年／VHS錄影帶
西元1977年／人力飛機
西元1977年／調諧質量阻尼器
西元1977年／航海家號太空船
西元1977年／阿拉斯加輸油管
西元1977年／磁振造影
西元1978年／氧化亞氮加速系統
西元1978年／採礦車Bagger 288
西元1979年／「海上巨人號」超級油輪
西元1980年／快閃記憶體
西元1980年／M1戰車
西元1980年／體育場電視螢幕
西元1981年／大腳怪獸車
西元1981年／太空梭
西元1981年／V-22「魚鷹」旋翼機
西元1982年／人工心臟
西元1982年／釹磁鐵
西元1983年／無線射頻辨識標籤
西元1983年／F117匿蹤戰機
西元1983年／行動電話
西元1983年／吉姆利滑翔機
西元1983年／乙太網路
西元1984年／3D印表機
西元1984年／網域名稱系統
西元1984年／外科手術機器人
西元1984年／貨櫃海運
西元1984年／伊泰普水壩
西元1985年／巴斯郡抽蓄發電
西元1985年／國際熱核融合實驗反應器
西元1985年／虛擬實境
西元1986年／車諾比事故
西元1986年／阿帕契直升機
西元1990年／全球資訊網
西元1990年／哈伯太空望遠鏡
西元1991年／鋰離子電池
西元1991年／生物圈二號
西元1992年／省水型馬桶
西元1992年／暴雨管理
西元1993年／凱克望遠鏡
西元1993年／「毀滅戰士」遊戲引擎
西元1994年／英法海底隧道
西元1994年／數位相機
西元1994年／全球定位系統
西元1994年／關西國際機場
西元1995年／動畫電影《玩具總動員》
西元1996年／Ariel Atom賽車
西元1996年／高畫質電視
西元1997年／Prius油電混合動力車
西元1998年／國際太空站
西元1998年／大型強子對撞機
西元1998年／智慧電網
西元1998年／銥衛星系統
西元1999年／Wi-Fi
西元2001年／賽格威電動代步車
西元2003年／創新世紀
西元2004年／米約高架橋
西元2005年／布加迪威龍
西元2005年／喬治亞水族館
西元2006年／棕櫚群島
西元2006年／AMOLED螢幕
西元2007年／智慧型手機
西元2008年／四旋翼飛行器
西元2008年／碳封存
西元2008年／工程大挑戰
西元2008年／馬丁噴射背包
西元2008年／三峽大壩
西元2009年／美國國家點火裝置
西元2009年／耐震建築
西元2009年／美國總統座車
西元2010年／太陽動力號太陽能飛機
西元2010年／英國石油公司漏油事故
西元2010年／哈里發塔
西元2010年／哈利波特禁忌之旅
西元2010年／阿爾塔風能中心
西元2010年／平板電腦
西元2010年／X2和X3直升機
西元2011年／福島核災
西元2011年／無人自駕車
西元2011年／速成摩天大樓
西元2011年／超級電腦「華生」
西元2012年／好奇號火星車
西元2012年／人力直升機
西元2013年／北卡州立大學BookBot系統
西元2014年／伊萬帕太陽能發電系統
西元2016年／威尼斯防洪系統
約西元2020年／真空管列車
約西元2024年／複製人腦
約西元2030年／火星殖民地
約西元3000年／尚未設計出來的東西
 

序文

　　只要環視四周，不論你現在坐在哪裡，你的周圍多半會是經過工程設計的物品。假如你坐在普通的辦公椅上，這張椅子的誕生就要仰仗工程師。椅子的布料，布料底下的海綿，把布料和海綿組在一起的骨架，構成扶手的塑膠元件，讓椅子能上下調整前傾後仰的機械零件，椅子底座，讓椅子自由滑動的滾輪，這些都需要工程師幫忙設計製造。

　　你所在的室內，牆上的漆連同油漆覆蓋住的牆板，也可能是經過工程設計。牆板內的石膏可能來自發電廠，發電廠裡有工程師負責設計洗滌塔，可把煙囪內的硫轉變成石膏，利用這個方法為煙囪脫硫，其他工程師負責設計工廠，取石膏製成牆板。你在房間裡呼吸到的空氣，很有可能經過空調系統中的空氣過濾器淨化，而空調系統又是受恆溫器控制，因此溫度可以保持適中。空調機件中的風扇從工程設計過的微電網獲得電力，微電網則連回可能生產出石膏的發電廠。

　　你身旁可能有一些電子產品，全都出自不同領域的工程師之手。比方說，在你桌上可能有智慧型手機或平板電腦，牆上有高畫質電視，還有自動與無線電台發射訊號對時的電子鐘。電機工程師、軟體工程師、工業工程師和機械工程師，讓這些事物化為現實。

　　走到室外，你會看見馬路上川流而過的車輛，也許正好有一架安全無虞的噴射客機以時速885公里飛越頭頂。路面底下是下水道、總水管、暴雨排水溝、電話線及有線電視纜線、瓦斯管線，這些也都經過工程師設計。

　　此外還有無線電波，雖然完全看不見，但有成千上萬的無線電波訊號環繞在你周圍，也都是拜工程師之賜。你家所在地區的每個調幅（AM）電台、調頻（FM）電台、電視台，都正以不同頻率的無線電波形式從你身旁流過，每支手機也正與當地的天線塔保持連繫。智慧型手機通常有提供語音通話的多重無線電波，以及單獨提供給Wi-Fi和藍牙的無線電波系統。附近其他的Wi-Fi熱點和藍牙裝置，以及使用Wi-Fi的每一台平板電腦、筆電、桌上型電腦，也會讓你籠罩在無線電波之中。不僅如此，頭頂上還有很多人造衛星，傳輸GPS訊號、衛星電視訊號、銥衛星電話訊號、氣象衛星訊號等等。再加上外面的一大堆無線電波：警消無線電波、水表無線電波、氣溫及雨水感應器無線電波、車庫門開關遙控，以及汽車遙控鑰匙。如果認真想，你會甚為驚訝。倘若沒有工程師去實踐，沒有監管結構讓所有的無線電波訊號不會互相干擾，這一切都不可能成真。

　　工程師一手打造我們這個現代世界。在美國，約有兩百萬名工程師在各自的崗位上，多半隱身幕後，不大張旗鼓。要是少了這些工程師，我們就會回到石器時代。

　　現在我們就要一起展開一趟迷人的旅程，踏進工程的世界。先想一想以下這個問題，或許會有些幫助：工程究竟是什麼？《蘭登書屋韋氏大詞典》（Random House Webster’s Unabridged Dictionary）可算是很好的起點，它是這麼定義工程的：「把物理、化學等純科學的知識拿來實際應用的技術或科學，例如建造引擎、橋梁、建築物、地雷、船舶和化工廠。」

　　以下則是出自《韋氏大學詞典》（Merriam Webster’s Collegiate Dictionary）的定義：「應用到科學與數學，而使物質性質和自然能源對人有用。」

　　要理解工程，還有個好方法，就是去想一想會在工業界找得到的所有工程學科，或是找一找大型工科大學裡會開設的學科。比方說，如果我們看一下美國北卡羅萊納州立大學的工學院，會找到以下這些科系：

　　生物及農業工程　森林生物材料工程
　　生物醫學工程　整合製造系統工程研究所
　　化學及生物分子工程　材料科學與工程
　　土木、建築與環境工程　機械與航太工程
　　計算機科學    核子工程
　　電機與電腦工程　作業研究
　　工業及系統工程　紡織工程、化學及科學

　　另外也有一些專業領域，譬如石油工程師負責鑽油及煉油，奈米工程師在奈米技術這個新興領域工作等等。

讀到這些定義和學科，你的腦袋裡可能會浮現工程師對社會有所貢獻的畫面。好比設計橋梁的土木工程師，他們受過訓練，懂數學、軟體工具、最佳作業方式及法規，這些都與設計建造出安全可靠、屹立不搖的橋梁有關。他們的成果處處可見，美國舊金山的金門大橋和法國的米約高架橋，都是大家公認的工程傑作。不過，工程師偶爾會鑄成大錯，就像美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋的案例，工程師從這些疏失吸取教訓，納入知識體系，應用到往後所有的橋梁新建工程。在工程這一行，每個人都會不斷交流，彼此學習，使技術持續進步。

　　有些經過工程設計的物品非常單純。舉例來說，鑄鋁車輪這個單件，要能應付汽車的負載，以及來自轉彎、緊急煞車、路面坑洞的所有作用力。其他物品可就十分複雜，譬如汽車或飛機，有數不清的組成零件，要精準可靠地共同操作。還有一些系統，像防鎖死煞車系統或安全氣囊系統，是靠著彼此連結的組成零件，來完成操作或解決問題。

　　另外也有一些大型工程系統，我們稱之為架構。電腦工程師經常用「電腦架構」一詞，來代表許多零件和其相互關係。或是想一想阿波羅登月任務。為數眾多的人員和組件聚在一起，為這項任務打造出架構，許多組成部分彼此相關：農神五號運載火箭、指揮及勤務艙、登月小艇、太空衣、月球車，及其他一切東西。要是其中有任何一環無法正常運作，整項任務就有可能失敗，太空人命懸一線，就像電影《阿波羅13》的情節一樣。同樣的，電力網的架構裡包括發電廠、輸電網、配電網，手機系統也有自己的架構，其中包含天線塔、手持話機，以及把這些組件連在一起的複雜信號傳輸協定。

　　透過大量生產，以及運用技術節省不必要的材料、時間和程序，來使成本下降，在這方面工程師也扮演重要角色。我們所穿的衣服就是很好的例子，以前的人做衣服，每樣工作都要自己來，種植棉花、鋤地、採收棉鈴，然後把棉纖維裡的棉籽去掉，一切都靠雙手。接著，他們清洗棉花、染色、梳棉、紡絲、在手工梭織機上織成布，再用針線把布縫製成衣服。因為每件衣服都代表幾百小時的人工勞力，所以價格昂貴。今天，工程師幾乎已經把程序裡的每個環節機械化了，同時讓大家有各種合成纖維可用，衣服也就變得物美價廉。各類用品都發生過同樣的轉變，所以我們現在才買得起智慧型手機，大家都能隨身帶著這些有高解析度螢幕和強大拍照功能、隨時能連上網路、從無數伺服器查到幾乎任何疑問解答的小小電腦。要是沒有工程師，這一切都不會發生。

　　科學家和工程師有什麼不同？大家寄望科學家了解宇宙運作之道，他們做研究，解答與自然界有關的基本問題。舉例來說，可能有位科學家發現弧形的玻璃會使光線偏折，後來找出數學方程式描述這種偏折，而從這項科學發現，我們就有了透鏡。接著，也許有某位科學家或發明家會把透鏡組合起來，變成光學裝置，譬如顯微鏡或望遠鏡，終將邁出下一步。如果你想以合理的價格做出一百萬架望遠鏡，或是想打造一架好幾公噸重的巨大望遠鏡，希望它能轉動自如，在地球自轉時依然能自動追蹤某顆恆星，這時就需要工程師接手。

　　科學家發現，鐵加了適量的碳可造出鋼，而工程師利用鋼建造橋梁、摩天大樓、汽車、超級油輪。鋼太重或是太脆弱，工程師還有許多其他的材料可用：鋁、鈦、碳纖維、克維拉、塑膠等等。

　　你經常會聽到有人驚呼：「這設計真美！」或者「那真是一件設計周全的用具！」例子不勝枚舉，包括SR-71偵察機、Ariel Atom賽車，或巴特農神殿。但也可能是更加單純的東西，譬如汽車傳動系統裡的換檔裝置，甚至像是重量適中、如絲般順手的控制旋鈕。當工程師的巧妙設計達到極高境界，重複利用和精簡的程度令人印象深刻，精細化的能力讓人初次使用就驚歎不已，或是做到形式與功能完美結合，這時就會引發眾人讚歎。就像藝術品和大自然，我們在工程設計裡看見美。

　　工程師從這些不同的方面，讓社會前進。他們發展新技術，讓我們生活得更舒適，他們讓成本下降，使更多人能夠參與，他們打造出令人驚奇的事物，使我們以生而為人感到自豪，他們創造出現代生活所依託的物品。