序

西安航天動力研究所陳祖奎研究員在2014年完成《超越工程社會如何塑造技術》翻譯初稿時，來找我交流書中的主要觀點。閱讀初稿后，我認為這本書通過核能、電力、計算機、航空航天、生物制藥等技術的發(fā)展脈絡，以一種獨到的視野描述政治、社會制度、社會團體、個人和商業(yè)模式等因素是如何影響技術發(fā)展的。

工業(yè)革命以來，尤其是隨著20世紀科學技術的發(fā)展，人們創(chuàng)建了汽車、大型化工、航空航天、核電、計算機產(chǎn)業(yè)，人們的生活方式和物質生活水平提高到了100多年前難以想象的程度。由于技術復雜程度大幅提高，使得技術的本質發(fā)生了變化，技術系統(tǒng)中的組件和參數(shù)的關系，從簡單的線性關系，變成了復雜難解的非線性關系，各組件的參數(shù)耦合性強，技術越復雜，不確定性越大，出現(xiàn)故障的風險也就越高。雖然基于數(shù)據(jù)庫的建模仿真技術取得快速發(fā)展，但仍然難以預測技術系統(tǒng)所有出錯方式。為了管控系統(tǒng)的使用風險，必須進行能反映實際使用環(huán)境裕度的大量的、充分的試驗驗證，使不確定性降低到可接受的水平。

大型復雜技術，需要高可靠性組織進行研發(fā)和使用。高可靠性組織的特點是既有嚴格的規(guī)章，也有靈活的應對危機的方式；既有開拓進取的創(chuàng)新精神，也有持之以恒改進現(xiàn)有技術的毅力；既有學習經(jīng)驗的氣氛，也有挑戰(zhàn)經(jīng)驗中瑕疵的勇氣。另一方面，高可靠性組織必須是一個學習型的組織，知其然，還要知其所以然，并強調團隊成員之間的不斷交流，以產(chǎn)生思想碰撞的火花，使技術決策更加科學、合理，使終的產(chǎn)品具有本質可靠性。

這是本帶有哲學思維的著作，提供了20世紀重大科學技術的發(fā)展脈絡，嶄新的認識技術發(fā)展的視野，可以作為認識技術本質、如何提高本質可靠性的參考書，也可以作為青少年的科普讀物。

這本譯著經(jīng)過多年的反復修改，用詞準確、精美，可讀性強，在此特意推薦給廣大的讀者。

2021年12月20日譯者序

譯者序

前些年，譯者在編譯《NASA工程中的經(jīng)驗教訓》時，發(fā)現(xiàn)其中經(jīng)常提到《超越工程社會如何塑造技術》這本書，于是，想辦法獲取了這本書的原版，閱讀數(shù)遍之后，覺得其中的觀點對大型研究機構的企業(yè)文化建設、技術研發(fā)和技術復雜性本質等方面的認識有所裨益，于是進行了翻譯工作。

這本書是《斯隆技術系列叢書》分冊之一，主要以核能發(fā)展為主線，生動描述1920世紀許多重要技術，諸如核能、電力、計算機、航空航天、生物制藥等，為什么會成為今天這個樣子？在發(fā)展的過程中，到底是什么在起關鍵的作用呢？技術發(fā)展給人們帶來了繁榮的物質生活，但造成了嚴重的環(huán)境問題，20世紀60年代，人們不再對高風險技術毫無保留地接受，要求對技術的發(fā)展路線擁有更大的發(fā)言權，例如質疑核電站、轉基因、動物器官或組織移植給人類的安全性。

書中描述，由于技術越來越復雜，以致一個人無法完全了解一項復雜技術的本質，技術開發(fā)的主體也由個體轉變?yōu)榇笮徒M織。這些組織有自己的發(fā)展目標，也有適合自己的行事方式，個人在組織中的作用非常渺小。愛迪生建立的發(fā)明工廠，是現(xiàn)代技術開發(fā)實驗室的雛形。

對許多工程問題而言，技術路線往往并不是的。從技術競爭層面看，優(yōu)秀的技術往往會勝出。可是，在今天看來，在動力與照明應用上，相比于直流電，交流電的優(yōu)勢十分明顯，為什么競爭持續(xù)將近半個世紀，而且那么慘烈？在蒸汽機車和內燃機車的競爭中，又是什么讓內燃機車取得徹底的勝利呢？在個人計算機的發(fā)展中，施樂公司帕洛阿爾托研究中心創(chuàng)造了個人計算機局域網(wǎng)，以及個人計算機的款文字處理程序，還有鼠標、窗口、圖標等與計算機交互盡可能容易的工具，引領了行業(yè)的發(fā)展潮流，但在商業(yè)上未能取得成功。蘋果、IBM都不是技術開拓者，是什么原因讓它們后來居上，后發(fā)展成行業(yè)的巨頭呢？書中提出，完成相同功能的技術之間的競爭，勝負不僅取決于技術的優(yōu)越性，還取決于研發(fā)模式和商業(yè)模式。要真正理解科技為什么如此發(fā)展，我們必須把它們放在其當時發(fā)展的環(huán)境下，看過去的想法和工程的選擇。發(fā)明者是誰？他們的優(yōu)點和缺點是什么，以及他們如何與同齡人和競爭對手交流？實驗室之外的世界發(fā)生了什么？政府參與了嗎？媒體呢？發(fā)明家在什么樣的組織里？商業(yè)因素是怎么影響開發(fā)和創(chuàng)新營銷的？

第二次世界大戰(zhàn)結束后，研發(fā)原子彈的龐大基礎設施、出類拔萃的人才隊伍將來去做什么呢？美國政府、國家實驗室在豐富的技術經(jīng)驗的基礎上推動商業(yè)核能的發(fā)展。商業(yè)核能有兩項主要關鍵技術，即中子慢化和冷卻，有許多技術路線，例如石墨反應堆、重水反應堆、壓水堆、金屬鈉冷卻反應堆，為什么后壓水堆成為商業(yè)核能的主流呢？本來，美國原子能委員會有很多機會和足夠的時間，通過充分的試驗對比，選擇具有本質安全性和經(jīng)濟效益好的技術路線將核能商業(yè)化，但基于當時的世界政治局勢和公眾對核能的狂熱未能如愿。

為了在冷戰(zhàn)中取得戰(zhàn)略優(yōu)勢，美國海軍決定研制核動力潛艇，為了滿足潛艇核反應堆必須具有安全、結構緊湊特性的要求，提出了輕水反應堆和金屬鈉反應堆的方案。這兩種方案都得到了順利實施，但考慮到金屬鈉泄漏與水蒸汽接觸會發(fā)生爆炸，造成災難性后果，輕水反應堆成為正式的方案。當時，蘇聯(lián)、英國都在積極研發(fā)商業(yè)反應堆，美國原子能委員會決定加速商業(yè)核能的研發(fā)以應對別國特別是蘇聯(lián)有可能超越的挑戰(zhàn)，加之，美國民眾對核能無所不能充滿憧憬提供取之不盡的電力、提高采礦效率、建造核動力飛機和修建運河，等等，不僅如此，還能建造人造太陽，使生產(chǎn)各種農(nóng)產(chǎn)品而不受天氣的影響，讓饑餓成為歷史的記載……人類不會再為爭奪資源而發(fā)動戰(zhàn)爭，讓兩極不再是冰封的荒原，沙漠成為綠洲，世界再一次變成伊甸園。在這種氣氛的影響下，美國原子能委員會決定加速商業(yè)核能的發(fā)展。采取什么技術路徑呢？就是當時投入力量的輕水反應堆。一旦一種技術建立起一個領先的發(fā)展勢頭，便很難被超越，即使該項技術沒有什么優(yōu)越性，這就是所謂的技術鎖定。在航空航天領域復雜技術的研發(fā)中，通常會遇到的情景是，為實現(xiàn)某一個工程目標，一般先提出幾個方案，在經(jīng)費不充分的情況下，只能進行少量的試驗，然后進行比對，由決策者根據(jù)自己的經(jīng)驗和偏好，選定一種自己認為有前途的方案進行工程研制。如果運氣好，則一切順利，但實際情況往往與愿望背道而馳。如果這項技術成熟度較低，不可避免要進行多次的設計迭代，花費了大量的經(jīng)費和精力，在預期的進度內還是不能實現(xiàn)既定的工程目標。如果方案沒有顛覆性的問題，設計迭代還會繼續(xù)下去，因為，其他方案沒有進行過深入研究，不能證明一定就沒有問題，就比現(xiàn)在這個方案好，這樣，這條技術路徑就成了雞肋。對于技術成熟度低于6級的工程研制項目，過早的路徑鎖定將不可避免地陷入緊行無好步的困境。

書中描述，挑戰(zhàn)者號航天飛機、印度博帕爾化工廠和美國三哩島核電站事故，盡管事故之前，已經(jīng)有許多人對項目和技術提出過異議，那么為什么還會發(fā)生不幸呢？到底是技術還是其他什么原因呢？這是復雜技術本身固有的風險，技術越復雜，不確定性越大，風險越高。如果我們無法摒棄一項復雜而又有風險的技術，就不得不與狼共舞，我們能做的，就是提高設計的本質可靠性，進行充分的試驗驗證，使不確定性和風險降低到可以接受的水平，在收益和風險中取得平衡。

書中提出的知道為什么成功比知道為什么失敗更難的觀點，值得我們深思。近年來，我國發(fā)射失敗的航天任務中，有成熟型號，也有新研型號，故障原因很多，因為失敗了，事后總能找出事故的事件鏈。但成功了，很多情況下，我們只是知其然，不知其所以然。書中詳細描述了挑戰(zhàn)者號航天飛機、切爾諾貝利核電站、三哩島核電站、博帕爾化工廠等科技史上重大災難性事故，這些事故在發(fā)生后不久，就找到了導致事故的事件鏈。

書中描述，許多故障看似是由技術上的失敗引起的，卻往往是組織上的失敗導致的。以航天動力系統(tǒng)為例，2008年以來，長征系列運載火箭發(fā)生過10余次發(fā)動機故障導致的飛行失敗，我國新型固體火箭也因為動力系統(tǒng)故障出現(xiàn)飛行失利。航天動力系統(tǒng)，系統(tǒng)復雜，工況嚴酷，涉及流體、結構、傳熱、燃燒等學科高度耦合，發(fā)動機各部件要承受惡劣的環(huán)境考驗，高壓、高低溫、高轉速、大振動、高功率，加之參數(shù)耦合性強，是典型的非線性系統(tǒng)，因此，預期其所有的失效模式幾乎是不可能的。只有通過多樣品、多工況的科學、充分的測試，才能確定設計裕度、識別出主要的失效模式，考核確保動力系統(tǒng)在規(guī)定的服役條件下取得成功。然而，由于這些機構本身有自己的商業(yè)目標、要應對各種政治態(tài)勢，使得動力系統(tǒng)研制過程中不能容忍失敗，導致測試域過窄，不同次制造之間、不同發(fā)動機之間的差異和天地差異對性能、可靠性的影響考核不到，設計裕度無法識別。如果存在制造偏差，使用環(huán)境條件發(fā)生變化，發(fā)生故障的概率就會增大。

復雜系統(tǒng)的研制、運營需要高可靠性組織。高可靠性組織的特質之一是既有嚴格的規(guī)章，又有靈活的應對危機的機制。強調員工之間的交流，不斷主動學習。高可靠性組織擁有有助于避免事故發(fā)生的另一個特征，強調不斷的交流和討論，其作用遠遠超出一般組織的認識。目的很簡單：為了提高方案的本質可靠性，避免錯誤。除了溝通之外，高可靠性組織也強調主動學習，而不是簡單照搬照抄前人留下的技術條件和設計圖紙。員工不僅要知道設計文件為什么這么編的，還應該能夠挑戰(zhàn)它們，尋找方法來完善它們。與其說這種學習背后的目的是改善可靠性盡管這是通常需要的，不如說是為了防止組織退化。

書中描述，由于技術復雜性是不可避免的，那么我們選擇什么技術路線、如何規(guī)避風險呢？技術問題通過技術本身是否可以解決呢？我們在建造復雜的工程系統(tǒng)時要怎么考慮余量呢？由于技術越來越復雜，人們無法預示全部的出錯可能性，即使是技術成熟的汽車行業(yè)也做不到。許多微小的瑕疵，單個對系統(tǒng)的可靠性的影響都不大，但當這些小瑕疵以某種方式耦合、疊加，事態(tài)就會像滾雪球一樣的發(fā)展，終造成災難性事故。墨菲定律指出，凡是某一事件存在發(fā)生的可能性，不管這種可能性是多么微不足道，它總會發(fā)生的。鑒于此，本書提出了工程本質安全性的觀點。

書中描述，技術革新是一群人朝著一個共同的方向不懈努力的結果。沒有漸進式的技術積累，就沒有增量式的進步，就更不會產(chǎn)生顛覆性的技術突破。有三個例子說明這個觀點：個是天文學宇宙模型。從托勒密提出地心說模型起，1000多年中，天文學家根據(jù)觀測的結果，對模型進行不斷修改，直到無法吻合新觀察。之后，哥白尼提出日心說模型，該模型經(jīng)過開普勒的改進，與觀察結果天衣無縫。第二個是飛機發(fā)動機。飛機起初采用活塞發(fā)動機，發(fā)展近100年之后，飛行速度提升遇到了瓶頸，無論發(fā)動機、飛機外形怎么改進，即使引入當時的材料技術，飛行速度提升就是達不到期望值，直到有人發(fā)明噴氣發(fā)動機。第三個是蒸汽機到汽輪機的進化過程。紐克門發(fā)明只能產(chǎn)生往復運動的蒸汽機，流行于礦山長達60多年，直到1760年，瓦特將其大幅度改進，在活塞兩側交替創(chuàng)建真空，使輸出功率翻倍，并能輸出軸向功率。此后，很多人在提高效率和可靠性方面投入了大量的精力，但效果并不明顯，費效比更是不堪，直到有人發(fā)明了汽輪機。

譯者認為，本書在對技術發(fā)展的看法上，提供了一個新的視野，對處理復雜工程問題有借鑒作用。

特別感謝德高望重的中國航天動力專家、中國工程院院士張貴田老先生，在百忙中閱讀譯稿并為本書作序。

西安航天動力研究所為譯者翻譯這本書提供了很多便利條件，許多同事、好友仔細閱讀譯稿，提出了非常有益的修改意見，譯者在此表示衷心的感謝！

特別感謝中國宇航出版社細致審閱了書稿，為提高本書的質量付出了辛勤勞動。

由于譯者時間和水平有限，錯誤在所難免，請讀者見諒。

2020年12月26日

《斯隆技術系列叢書》的序

技術是科學、工程以及產(chǎn)業(yè)組織創(chuàng)建一個人造世界的應用。在技術的引領下，發(fā)達國家在100年前已經(jīng)達到了不可想象的生活水平。然而，過程并非沒有壓力，由于其本身的性質，技術帶來了社會變化并顛覆了傳統(tǒng)。它幾乎在每一個方面影響人類活動：私人和公共機構、經(jīng)濟系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡、政治結構、國際關系、社會組織和人類生命的狀況。影響不是單向的，正如技術改變社會，社會結構、態(tài)度和習俗等諸多因素也影響技術。但也許因為技術發(fā)展如此迅速并完全被吸收，在現(xiàn)代歷史中，對技術和其他社會活動深刻的相互作用還沒有足夠的認識。

斯隆基金會對加深公眾對現(xiàn)代技術及其起源，以及對我們生活的影響的理解有一個長期的興趣。《斯隆技術系列叢書》（目前本冊是其中一個部分），旨在向廣大讀者介紹20世紀各類關鍵技術發(fā)展的故事。本系列的目的旨在傳達技術和人類兩個主體維度：發(fā)明及將其改造成設計技術所付出的努力，以及將它們引入當代生活的喜悅和壓力。世紀結束之際，希望本系列將披露這樣的一個過去，能提供觀察現(xiàn)在的視角并對未來有啟示作用。

基金會一直在一個杰出的咨詢委員會指導下創(chuàng)作《斯隆技術系列叢書》。我們對約翰·阿姆斯特朗、西蒙·邁克爾·貝西、塞繆爾·Y.吉本（已故）、托馬斯·P.休斯、維克托·麥克爾赫尼、羅伯特·K.默頓、埃爾廷·E.莫里森和理查德·羅茲表達深深的感謝。基金會在委員會的代表是拉爾夫·E.戈莫里、阿瑟·L.小辛格爾、赫希·G.科恩、多倫·韋伯。

致謝

許多人對這本書提供了幫助，尤其是斯隆基金會的阿瑟·L.小辛格爾，沒有他們，是不可能完成本書的創(chuàng)作的。

在這本書的創(chuàng)作過程中，有四個非常重要的人。麻省理工學院核工程系主任邁克爾·戈利，首先向我描述工程以外的其他因素是如何影響核電發(fā)展的；賓夕法尼亞大學歷史和科學社會學梅隆名譽教授托馬斯·休斯，教我（通過他的著作）如同一個歷史學家一樣來觀察技術，尋找那些把技術推動到一條路徑或另一條路徑上的決定性事件；喬治梅森大學公共政策教授唐·卡什，讓我對復雜性影響技術發(fā)展的重要性印象深刻；喬治梅森大學的羅賓遜教授1984年以來，喬治·梅森大學接受了克拉倫斯·羅賓遜教授的大量遺贈，使其有資本任命文、理學界的杰出教授來授課。這些杰出的教授被稱為羅賓遜教授。、哲學教授塞爾瑪·Z.拉文，讓我知道了社會科學在認知我們世界方面的重要性和局限性。

許多友善人士通讀整個手稿并發(fā)表評論，提出改進建議、指出錯誤和不準確的地方。特別感謝邁克爾·戈利，他通讀手稿并提出許多深思熟慮的建議，給我提供幫助的人還有：加州大學伯克利分校政治學系的唐·卡什、托馬斯·休斯、托德·拉·波特；《制造原子彈》和《黑暗的太陽：制造氫彈》的作者理查德·羅茲；圣達菲研究所的經(jīng)濟學家W.布萊恩·亞瑟；加利福尼亞州米奧克蘭爾斯學院的政治學家保羅·舒爾曼；西安大略大學的經(jīng)濟學家羅賓·考恩，以及喬治梅森大學的政治學家詹姆斯·菲夫納教授。

在我研究和寫作這本書的四年期間，許多科學家、工程師以及商業(yè)界人士與我談論了他們的工作。向提供幫助的人致謝的名單不可避免地有所遺漏，盡管如此，我必須提供我能想起的盡可能多的名字，因為他們慷慨分享他們的時間和知識，從而使這本書的出版成為可能。

感謝橡樹嶺國家實驗室的查爾斯·福斯博格、阿爾文·溫伯格、亨利·瓊斯、霍華德·克爾、威廉·富爾克森、格勞德·普格、小約翰·瓊斯、弗蘭克·霍曼、伊麗莎白·皮爾；麻省理工學院的勞倫斯·里德斯基和亨利·肯德爾；電力科學研究院的特德·馬斯頓、約翰·泰勒、昌西·斯塔爾和加里藤；ABB燃燒工程公司核電事業(yè)部的赫爾諾特·基辛格、瑞吉·馬特齊、查爾斯·巴蓋爾、保羅·克拉馬契克；ABB瑞典韋斯特羅斯分公司的卡蕾·漢內茲、拉爾斯·尼爾森和杜尚·巴巴拉；巴黎核電國際的布魯諾·鮑姆加特爾、迪特·施耐德和米歇爾·普雷沃；阿爾貢國家實驗室的查爾斯·蒂爾、尹·I.常和鮑勃·艾弗里；佛羅里達電力和照明杰里·戈德堡、戴夫·薩格爾、湯姆·布朗克和雷·金；美國原子能委員會的愛德華·戴維斯；美國節(jié)能意識委員會的菲利普·貝恩和卡爾·戈爾茨坦；多倫多整體影響的凱瑟琳·賴爾；美國加州大學圣巴巴拉分校的哈羅德·劉易斯；史密斯學院的斯坦利·羅斯曼；得克薩斯州公用事業(yè)子公司德州電力公司的戴夫·奧雷利；全國奧杜邦協(xié)會的揚·貝伊；美國西屋電氣公司的核集團顧問托尼·華萊士和彼得·穆雷；卡內基·梅隆大學的M.格蘭杰·摩根和巴魯克·費希爾霍夫；華盛頓州立大學的尤金·羅薩；通用電氣的核電事業(yè)部的鮑勃·伯格倫德和通用電氣核能退休副總裁伯特倫·沃爾夫；太平洋天然氣和電力公司的威爾凱富、邁克·安格斯和吉姆·莫爾登；田納西大學的羅伯特·烏里格；新墨西哥大學的漢克·詹金斯史密斯。特別感謝分別來自弗吉尼亞州的電力公司和核能研究所的圖書館館員琳達·羅亞爾和安德烈·威廉姆森，他們對我開放他們的文件。

后，我要感謝我的妻子，艾米·邦杰·普爾，她閱讀了本書的各種版本并在許多方面，尤其是有關法院和技術的那些方面磨煉了我的思想。