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T. S. Spivet vit dans un ranch isolé du Montana avec ses parents, sa soeur Gracie et son frère Layton. Petit garçon surdoué et passionné de science, il a inventé la machine à mouvement perpétuel, ce qui lui vaut de recevoir le très prestigieux prix Baird du Musée Smithsonian de Washington. Sans rien dire à sa famille, il part, seul, chercher sa récompense et traverse les Etats-Unis sur un train de marchandises.
Mais personne là-bas n'imagine que l'heureux lauréat n'a que dix ans et qu'il porte un bien lourd secret.