本书是作者于2004年在清华大学周培源应用数学中心，给多种学科背景的学者讲述统计物理在生物学科的应用的讲义基础上形成的。全书分16章和一个附录。前10章简洁地归纳了生命科学中用得着的核心概念，它们分别是熵、麦克斯韦ˉ玻尔兹曼分布、自由能、化学势、相变、相变动力学、关联函数、随机过程和朗之万方程。第11章开始，讲述的侧重点逐步转移到生命科学。其中第11章讲述蛋白质结构同生命过程的联系。第12章讲述自组装的生物学过程，第13章介绍蛋白质折叠的动力学机理，第14章讲述蛋白质折叠的指数律，第15章阐述自回避行走和湍流，第16章作为全书的结尾，提出了控制蛋白质一级、二级、三级结构的机制的假设，附录中介绍蛋白质分子中能量级联机制的物理学模型。

　　全书以简洁的语言，精辟地提出了可能的研究方向，对于从事生命科学研究的多学科读者都具有指导意义。

全书前10章简洁地归纳了生命科学中用得着的核心概念，它们分别是熵、麦克斯韦ˉ玻尔兹曼分布、自由能、化学势、相变、相变动力学、关联函数、随机过程和朗之万方程。第11章开始，讲述的侧重点逐步转移到生命科学。其中第11章讲述蛋白质结构同生命过程的联系。第12章讲述自组装的生物学过程，第13章介绍蛋白质折叠的动力学机理，第14章讲述蛋白质折叠的指数律，第15章阐述自回避行走和湍流，第16章作为全书的结尾，提出了控制蛋白质一级、二级、三级结构的机制的假设，附录中介绍蛋白质分子中能量级联机制的物理学模型。

Contents

Foreword

Introduction

1. Entropy

　1.1 Statistical Ensembles

　1.2 Microcanonical Ensemble and Entropy

　1.3 Thermodynamics

　1.4 Principle of Maximum Entropy

　1.5 Example: Defects in Solid

2. Maxwell-Boltzmann Distribution

　2.1 Classical Gas of Atoms

　2.2 The Most Probable Distribution

　2.3 The Distribution Function

　2.4 Thermodynamic Properties

3. Free Energy

　3.1 Canonical Ensemble

　3.2 Energy Fluctuations

　3.3 The Free Energy

　3.4 Maxwell's Relations

　3.5 Example: Unwinding of DNA

4. Chemical Potential

　4.1 Changing the Particle Number

　4.2 Grand Canonical Ensemble

　4.3 Thermodynamics

　4.4 Critical Fluctuations

　4.5 Example: Ideal Gas

5. Phase Transitions

　5.1 First-Order Phase Transitions

　5.2 Second-Order Phase Transitions

　5.3 Van der Waals Equation of State

　5.4 Maxwell Construction

6. Kinetics of Phase Transitions

　6.1 Nucleation and Spinodal Decomposition

　6.2 The Freezing of Water

7. The Order Parameter

　7 1 Ginsburg-Landau Theory

　7.2 Second-Order Phase Transition

　7.3 First-Order Phase Transition

　7.4 Cahn-Hilliard Equation

8. Correlation Function

　8.1 Correlation Length

　8.2 Large-Distance Correlations

　8.3 Universality Classes

　8.4 Compactness Index

　8.5 Scaling Properties

9. Stochastic Processes

　9.1 Brownian Motion

　9.2 Random Walk

　9.3 Diffusion

　9.4 Central Limit Theorem

　9.5 Diffusion Equation

10. Langevin Equation

　10.1 The Equation

　10.2 Solution

　10.3 Fluctuation-Dissipation Theorem

　10.4 Power Spectrum and Correlation

　10.5 Causality

　10.6 Energy Balance

11. The Life Process

　11.1 Life

　11.2 Cell Structure

　11.3 Molecular Interactions

　11.4 Primary Protein Structure

　11.5 Secondary Protein Structure

　11.6 Tertiary Protein Structure

　11.7 Denatured State of Protein

12. Self-Assembly

　12.1 Hydrophobic Effect

　12.2 Micelles and Bilayers

　12.3 Cell Membrane

　12.4 Kinetics of Self-Assembly

　12.5 Kinetic Arrest

13. Kinetics of Protein Folding

　13.1 The Statistical View

　13.2 Denatured State

　13.3 Molten Globule

　13.4 Folding Funnel

　13.5 Convergent Evolution

14. Power Laws in Protein Folding

　14.1 The Universal Range

　14.2 Collapse and Annealing

　14.3 Self-Avoiding Walk (SAW)

15. Self-Avoiding Walk and Turbulence

　15.1 Kolmogorov's Law

　15.2 Vortex Model

　15.3 Quantum Turbulence

　15.4 Convergent Evolution in Turbulence

16. Convergent Evolution in Protein Folding

　16.1 Mechanism of Convergent Evolution

　16.2 Energy Cascade in Turbulence

　16.3 Energy Cascade in the Polymer Chain

　16.4 Energy Cascade in the Molten Globule

　16.5 Secondary and Tertiary Structures

A. Model of Energy Cascade in a Protein Molecule

　A.1 Brownian Motion of a Forced Harmonic Oscillator

　A.2 Coupled Oscillators

　　A.2.1 Equations of Motion

　　A.2.2 Energy Balance

　　A.2.3 Fluctuation-Dissipation Theorem

　　A.2.4 Perturbation Theory

　　A.2.5 Weak-Damping Approximation

　A.3 Model of Protein Dynamics

　A.4 Fluctuation-Dissipation Theorem

　A.5 The Cascade Time

　A.6 Numerical Example

Index