2023年7月7日，2021、2022年度王選杰出青年學者獎頒獎典禮在北京大學百周年紀念講堂李瑩廳舉行。北京大學北京國際數(shù)學研究中心博雅特聘教授張磊憑借原創(chuàng)的解景觀理論獲得了2021年應用數(shù)學領域的王選杰出青年學者獎。

頒獎現(xiàn)場，張磊向王選院士及王選院士的夫人陳堃銶教授致敬。他說道，王選院士鍥而不舍、“頂天立地”的科研精神鼓舞著一批又一批青年科學工作者在科技自主創(chuàng)新的道路上奮力探索。

王選杰出青年學者獎頒獎典禮現(xiàn)場，校黨委書記郝平教授和王選院士夫人陳堃銶教授共同為獲獎者頒獎。右三為張磊

從北大數(shù)學科學學院出發(fā)，張磊的足跡延伸到北美大陸與中國香港，最終他選擇回到母校為北大數(shù)學貢獻自己的智慧力量。他也憑借著在應用數(shù)學及交叉性學科的諸多突破，獲得了國家杰出青年科學基金的資助并成為國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體的牽頭人。

做“家譜”——構(gòu)造復雜系統(tǒng)解景觀

解景觀（solution landscape）是張磊與合作者近年來的一項重要的原創(chuàng)性的理論構(gòu)建。他告訴記者，很多物理和化學領域中復雜系統(tǒng)的問題都可以被歸結(jié)為數(shù)學上求解具有多個變量的非線性函數(shù)或泛函的極小值問題。在這類多解問題中，對應的能量景觀有很多的極小，每一個極小對應于一個（亞）穩(wěn)態(tài)，函數(shù)的變量可能是蛋白質(zhì)折疊中的氨基酸位置、原子簇的原子位置、嵌段共聚物自組裝的連續(xù)場變量、神經(jīng)網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡參數(shù)等。這類多解問題通常具有多個極小，那么如何尋找全局極小和如何找到不同極小之間的關系一直是計算數(shù)學領域的兩個關鍵問題。

解景觀的示意圖

張磊提出的解景觀描述了不同的極小被相應的一階鞍點連接，低階鞍點被相應的高階鞍點連接的層次結(jié)構(gòu)圖。“用通俗的話來說，解景觀就相當于一個‘家譜’，比如我們的孩子就是極小點，父母作為一階鞍點把孩子連接在一起，我們的孩子與他們的表兄妹之間可以由爺爺奶奶、外公外婆作為二階鞍點連在一起，所以解景觀的構(gòu)造就是這樣一個‘畫家譜’的過程。”

解景觀給出了求解非線性多解問題的一個新的方法框架，它能夠展示復雜系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)，描述不同解之間的連接關系，同時，也克服了選取初值的困難并且降低了搜索空間的維度。“我們根據(jù)解景觀的特征，利用發(fā)展的鞍點動力學，結(jié)合向下搜索和向上搜索方法，可以高效地構(gòu)建出完整的解景觀。比如，以軟物質(zhì)系統(tǒng)中的液晶和準晶為例，可以系統(tǒng)地構(gòu)建向列相液晶的缺陷景觀以及發(fā)現(xiàn)從晶體到準晶的成核過程。”張磊這樣闡釋解景觀的特點及應用。

解景觀的提出也并非一蹴而就，而是張磊在博士期間研究稀有事件的長期基礎上，在加入北大國際數(shù)學研究中心后，又與張平文院士等合作者在解決液晶的應用問題中不斷探索，最終萌發(fā)的新方法。“我非常有幸因為此項成果獲得王選杰出青年學者獎，也非常感謝王選所搭建的這個交流平臺。那時候，解景觀剛剛提出來，這個獎項算是對我這樣一個年輕學者的認可，對年輕學者闡釋自己的原創(chuàng)思想是非常重要的鼓勵。”張磊說道。

尋“交叉”——開拓生命科學的藍海

從2001年從北大數(shù)學本科畢業(yè)，到2013年全職回到北大，張磊依次在中科院、美國賓州州立大學、美國加州大學爾灣分校、香港城市大學學習和工作過。加盟數(shù)學中心前，張磊在香港城市大學擔任助理教授，事業(yè)于香江展開似乎代表著更高的薪水和較小的壓力。然而，張磊還是選擇回到北大。

“那時候在和張平文老師、鄂維南老師等師長的交流中，我對北大國際數(shù)學研究中心有了憧憬。全職回來后，我發(fā)現(xiàn)自己的選擇是非常正確的。”張磊在采訪中，稱贊這座由田剛院士等北大數(shù)學前輩學人辛苦創(chuàng)立的北京國際數(shù)學研究中心“能夠讓聰明的大腦在優(yōu)美的環(huán)境中毫無世俗壓力地工作”。他認為，正是數(shù)學中心努力營造的涵養(yǎng)人才的土壤，讓青年科研人員們的智慧才干得到了蓬勃發(fā)展。

北大數(shù)學舉辦110周年校友論壇，張磊主持應用數(shù)學分論壇

“我的另一份幸運是北大定量生物學中心賦予的。”張磊表示。生命科學，是張磊在深挖復雜計算基礎上，近年來所拓展的學術興趣。在他心目中，數(shù)學問題是穩(wěn)定發(fā)展的，像山一樣，而生命科學的研究則充滿了未知，似淙淙流水般川流不息。

作為定量生物學中心的研究員，張磊經(jīng)常參加中心的各種交流活動。“我經(jīng)常去湯超老師的組會，有一些合作成果就是在組會的火花中碰撞出來的。”定量生物學中心融合了生物學、化學、物理學、數(shù)學、醫(yī)學等多領域的專家學者。“一開始的幾個‘點’的合作有了成效，逐漸地一個‘面’就會打開，應用數(shù)學和生命科學的交叉大有可為。”

張磊感謝定量生物學中心為各種學科背景的學者提供的交流平臺。“不同學科的學者在定量生物學中心可以互相交流，拓展學術視野，提升學術品位，同時，我們還可以招到不同學科背景的學生，比如我的學生里有學物理的、有學生物出身的，他們經(jīng)常彌補我在相關學科背景上的短板。”張磊說道。

張磊在授課中

2023年8月，張磊牽頭的國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目“復雜生命系統(tǒng)的定量生物學”獲批。張磊等一批年輕學者在湯超、歐陽頎、來魯華等前輩學人的培養(yǎng)下，成為了用不同學科知識解決復雜定量生物學問題的主力人才。“來魯華老師是上一輩交叉學科研究生命科學的核心成員，非常有幸這次的創(chuàng)新研究群體來老師還和我們年輕人一起，她起到了中流砥柱的作用。”未來，張磊和團隊成員將發(fā)揮各自學科優(yōu)勢，在生物網(wǎng)絡拓撲與功能的關系、細胞命運決定、胚胎發(fā)育的可計算建模等定量生物學的研究藍海貢獻自己的智慧成果。

守“初心”——賡續(xù)老一輩學人的科學家精神

北京大學王選青年學者獎勵基金是由王選院士夫人陳堃銶教授于2008年12月代表北京大學王選計算機研究所（原北京大學計算機科學技術研究所）捐贈基金設立。2020年，北京大學王選青年學者獎勵基金決定增設全國性科技獎項“王選杰出青年學者獎”，由北京大學、中國計算機學會和中國工業(yè)與應用數(shù)學學會聯(lián)合評選出在計算機和應用數(shù)學領域中自主創(chuàng)新和應用成果極為突出的杰出青年學者各一名。

張磊非常珍視這個獎項，在他心目中，這個獎項不僅僅是對自己學術成果的肯定，也為自己能夠和王選院士——這個自己從青少年時代就十分敬重的科學家聯(lián)系在一起而感到榮幸和自豪。

王選杰出青年學者獎獎杯

在張磊心目中，王選院士代表的正是現(xiàn)在廣泛提倡的“科學家精神”。“王老師一直強調(diào)我們中國人要做‘頂天立地’的科學技術，‘頂天’就是要做一流的原始創(chuàng)新科研成果，‘立地’就是科研成果的大量推廣和應用。”張磊告訴記者，自己的科研攻關之路也從來不是一帆風順，應用數(shù)學有各種難上加難的挑戰(zhàn)。“越難越想要攻克它！”

作為世紀之交就在北大數(shù)學學習的“天之驕子”，張磊回憶起自己本科期間選擇學習計算數(shù)學的初心，就是認為應用數(shù)學領域還有非常多的亟待解決的問題，同時解決這些問題的過程也能在一定程度上推動技術進步與成果的跨學科應用。“我本身是‘綜合型選手’，數(shù)理化都非常喜歡，當時分專業(yè)的時候平文老師給了我很大的鼓舞，他告訴我們，計算數(shù)學雖然還在發(fā)展初期，但是已經(jīng)有著非常充滿希望的前景，有很多難題等著同學們?nèi)ソ鉀Q。”

在人工智能時代，計算數(shù)學發(fā)揮著更為深廣的影響。張磊認為，隨著技術的不斷提升，數(shù)據(jù)量的“井噴”，人工智能成為科技發(fā)展的必然結(jié)果，“AI for science（人工智能應用于科學研究）”不僅僅是時髦的科研口號，而是實實在在能夠助推科學發(fā)展的必要范式。在他看來，目前人工智能在生命科學研究方面成果最為明顯。“因為生命活動是非常復雜的，如果想有所突破創(chuàng)新可能需要更高的實驗條件和技術手段，人工智能能夠輔助人類智能掌握更為深廣海量的信息，做智能化的總結(jié)提煉和前瞻性的預判。當然，人工智能可以在很多科學領域作出貢獻，包括大家一直認為是‘穩(wěn)態(tài)’的數(shù)學研究，也很有可能不斷突破人類的認知邊界。”張磊說道。

張磊與課題組學生進行團建活動

如今，作為在計算數(shù)學領域和生命科學研究領域都卓有成果的杰出青年學者，張磊希望更多的青年學子能夠繼承發(fā)揚科學家精神，進行科學上的攻堅克難，做“頂天立地”的學術科研。“如果決心走學術，我鼓勵大家先做好自己本領域的研究，高筑墻、廣積糧。可能一開始會有迷茫，但是努力做下去，會逐漸積累信心，在領域內(nèi)部能夠有自己的‘話語權’，再多找機會與其他學科背景的學者溝通碰撞，共同支起一片廣闊的學術天空。”張磊這樣說道。

學者簡介

張磊在北京國際數(shù)學研究中心咖啡角

張磊，北京大學北京國際數(shù)學研究中心博雅特聘教授，定量生物學中心、國際機器學習中心PI。2009年在美國賓州州立大學數(shù)學系獲博士學位。研究領域為計算和應用數(shù)學、交叉科學，包括稀有事件與解景觀的算法與應用，數(shù)學與生命科學交叉，計算材料科學等。研究成果在PRL、PNAS、Acta Numerica、Science子刊、Cell子刊、SIAM系列期刊發(fā)表。主持國家基金委創(chuàng)新研究群體、國家杰出青年科學基金、科技部“生物與信息融合”重點研發(fā)專項、基金委原創(chuàng)探索計劃、英國皇家學會牛頓高級學者、基金委優(yōu)秀青年科學基金、中組部高層次青年人才計劃等項目，同時擔任SIAM J. Appl. Math、 Science China Mathematics、CSIAM Trans. Appl. Math、The Innovation、《計算數(shù)學》等多個國內(nèi)外期刊的編委。

王選杰出青年學者獎介紹：

北京大學王選青年學者獎勵基金由王選夫人陳堃銶教授于2008年12月代表北京大學王選計算機研究所（原北京大學計算機科學技術研究所）捐贈基金設立。之后，王選所碩士研究生劉振飛校友連續(xù)多年捐資注入本基金，是北大最早的針對青年學者所設的獎勵基金。該基金下設“北京大學王選青年學者獎”，多年來獎勵了北大一批在教學崗位和科研工作中作出重要貢獻并具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ那嗄杲處煛?/span>

王選院士作為推動中國漢字和印刷技術邁入計算機時代的開拓者，是新時代知識分子的杰出代表和自主創(chuàng)新精神的楷模，他的崇高品格與精神風范值得永遠銘記。為更好地紀念王選院士，發(fā)揚他堅持創(chuàng)新的科學精神和扶植新秀的高尚情懷，推動中國科技創(chuàng)新事業(yè)發(fā)展，擴大王選青年學者獎勵基金的影響力，2020年，北京大學王選青年學者獎勵基金決定增設全國性科技獎項“王選杰出青年學者獎”。該獎項實行推薦制，不受理個人（或單位）的申請或自薦，每年組織評選一次。候選者應滿足以下條件：熱愛祖國，有良好的社會公德和高尚的職業(yè)道德；在科研工作中作出重要貢獻并具有巨大發(fā)展?jié)摿Γ蛘咂淇蒲谐晒玫街匾獞没蛴兄匾獞们熬埃荒挲g在45歲以下的中國公民。每年由北京大學、中國計算機學會和中國工業(yè)與應用數(shù)學學會聯(lián)合評選出在計算機和應用數(shù)學領域中自主創(chuàng)新和應用成果極為突出的杰出青年學者各一名，每人一次性獎勵人民幣50萬元。

為開展好王選杰出青年學者獎的相關工作，確保該獎項的公正性、獨立性和權威性，特設立王選杰出青年學者獎管理委員會、學術委員會、提名委員會及秘書處，學術委員會和提名委員會由數(shù)學、計算機理論與應用領域的著名專家擔任，負責獎項的提名和評審工作，對候選人進行評議、表決后上報管理委員會審定。如當年度無合適人選，名額可空缺。