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看到这本书的时候，你是否能想到它的主题是凝聚态物理学？是的，这并不是一本循规蹈矩介绍这门科学的科普书，其涵盖的内容也跨度极大。这本书的创作初衷是为了纪念已故的凝聚态物理学家张首晟教授，也是我的博士导师。我们编写小组有张首晟教授的夫人余晓帆老师、儿子张晨波，他曾经的学生祁晓亮教授和我，以及本书的主要作者严伯钧。张首晟教授在对拓扑绝缘体的理论建立和实验预测上做出了卓越的贡献，同时也是一位极具历史和哲学思想的科学家。因此，经过我们的讨论，本书的主要作者严伯钧选取了一个尽可能反映张首晟教授哲学思想的非传统的呈现角度来写这本书。
我第一次见到张首晟教授是在2008年，那时我还只是清华大学物理系的一年级本科生，因为参加学校组织的一个学生交流活动，在斯坦福大学停留一周，有幸被安排听了张老师的一堂统计物理课。在课上，让我印象深刻的是张老师对回答问题的学生的热情夸赞，即使一些问题看起来很简单。这正是张老师的特质：他对简单而美的问题和答案永远有着超乎寻常的热情，而且为年轻学生和普通大众讲述这些科学原理也是他最喜欢做的事情之一。这堂课后，我拜访了张老师，彼时他正在办公室讨论关于拓扑绝缘体的物理问题（其中正巧也有本书的另一编著者祁晓亮教授），他让我坐下顺便听听做研究是什么样的。尽管当时那些内容对我而言过于深奥，近距离聆听的我还是觉得心潮澎湃。而我拜访张老师还有一个主要目的：请他看一看我写的一篇对旋转液滴形状的研究笔记，因为那时我以为做研究就像科普书上一百年前拉马努金和玻色的故事那样，年轻学者把自己的研究寄给大科学家来评价。张老师并没有忽略我这个请求，尽管我的那篇笔记和张老师的研究领域相距十万八千里。一段时间后，我不无沮丧地写邮件告诉张老师这个问题早已被物理学家瑞利和钱德拉塞卡彻底研究过。张老师却热情地回复我，说他读过之后对我的笔记印象很深刻，并且说这是一个非常好的做研究的开端。回想起我那时作为一个刚开始踏上物理道路的学生，以及一次不成功的研究尝试，张老师的认真回复和热情夸赞给了我极大的激励。而这也开始了我与张老师后来的师生缘分。
张老师的科学研究风格是非常独特的——无论涉及多深奥的理论知识和复杂计算，他都可以用浅显易懂的语言讲清楚，并且让人惊叹于其中最有趣的原理。这常常让我想起诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼，一位以善于为公众讲述深奥科学而著名的物理学家。也正因为此，科研与科普对张老师来说是同等重要的事情。在我刚成为张老师的博士生时，张老师笑着问我是否知道如何估计“地球上最高的山有多高”。这个问题我见过，所以没有被难倒，答案可以通过让岩石的融化能量等于把岩石升高到山顶的势能算出来。张老师很高兴，说做物理就应该追求这样的简单原理。他告诉我，他在教一门本科生课程“信封背面的物理”（back of the envelope physics，意为简单的物理估算），讲的就是类似这样的物理问题，并请我来担任助教。这是一门让我大开眼界的课，其中有趣的问题数不胜数，例如如何用简单的办法估算亚历山大图书馆的图书数量，所有时间里出生过的总人数，传递强相互作用力的介子质量，等等。很多问题我都从来没有这样想过。这也深深地影响了我之后的物理学习和研究，我也会尽力要求自己用最简单的原理解释复杂的物理。从根本上，这源于张老师对一个研究是否有趣的非凡嗅觉，以及他对知识的广阔兴趣。
凝聚态物理学是一门内容极其丰富的学科，它的研究主题包括一切由基本粒子构成的看得见摸得着的固体或液体物质。通过计算宏观数目的基本粒子在量子力学下的行为，这门学科可以让我们理解这些物质的性质，诸如电阻、比热容、声速、可压缩性等，并且极大地推动了电子和材料技术的发展，比如20世纪发展起来的半导体工业。然而，更深层来说，凝聚态物理还有着深刻的哲学意义。诺贝尔物理学奖获得者菲利普·安德森在20世纪70年代提出一个观点“多，即不同”，他指出，很多基本粒子的相互作用会演化出新的物理规律，而这些物理规律不能直接从基本粒子的物理规律看出来。因此，在凝聚态物理学里，每一种不同原子构成的物质都可以看成一个有着不同物理规律的宇宙。我刚认识张老师的时候，他告诉我这正是为什么凝聚态物理那么有趣。这和超弦理论中的多宇宙理论观点颇为类似：高维空间的不同卷曲方式可能会给出不同物理规律的低维宇宙，而我们的宇宙只是其中的一个。自从物理学家认识到这一点以来，高能物理（即粒子物理）与凝聚态物理这两大物理学领域被越来越紧密地联系了起来，而张老师正是其中的卓越代表：他从读博士期间研究高能物理（超引力）转向了研究凝聚态物理，因而高能物理的很多思想也深深印刻在了他的凝聚态物理研究之中。在更广阔的意义上，很多物理学之外的系统也可以看作有着不同规律的宇宙。正是基于这样的哲学，张老师并没有把目光局限在凝聚态物理之中，他充满兴趣地探索了更多不同的“宇宙”，包括机器学习、分布式计算、生物基因编辑的原理等，追寻着普适的哲学思想。
另一方面，凝聚态物理的思想也经常反哺描述微观世界的高能物理，例如对称破缺的思想正是从凝聚态物理中诞生的，后来发展出了高能物理标准模型中的希格斯粒子对称破缺机制。甚至可以说，凝聚态物理决定了我们观测宇宙的物理规律的方式，因为所有的物理测量仪器都是基于宏观凝聚态物质的性质设计出来的。因此，本书正是从一个“不同宇宙”的哲学角度来介绍凝聚态物理，带领读者从我们的基本粒子的宇宙跳跃到一个又一个不同的凝聚态及其他科学的宇宙中。
张老师曾经多次提到他曾经看到伟大科学家墓碑时的震撼，上面往往镌刻着这位科学家生前所发现的最重要的公式。他认为这正是科学家的终极追求：一生的科学成就可以用一种最简单的方式做总结。张老师的墓碑上刻着的是他发现的拓扑绝缘体的哈密顿量公式，它代表的是在一切复杂之上，拓扑绝缘体这个宇宙中电子所呈现的简洁优美的物理规律。我们对这本书的期望也是如此：在纷繁复杂的凝聚态物理理论之上，它可以呈现给读者宇宙中的另一种普适和美。
