直到著名的麦克斯韦妖出现之前，信息和物理之间的联系一直不甚明确。而如今，信息正在成为连接物理学和生物学的一个关键概念。许多物理学家主张将信息放在物理学的核心位置，而另一些物理学家则猜测：新物理学潜藏在生物体的世界中。生物学正在成为物理学的下一个伟大前沿。
对物理学家来说，生命太神奇，恰似变幻莫测的魔术。生物体取得的成就是如此耀眼，如此神秘，以至于人们很容易忘记：它们是由一个个普通的原子组成的。
然而，如果生命的奥秘不在于构成生物体的材料，那又是什么呢？是什么赋予了生物体独一无二的生命力，使它们如此非凡而特别？这是薛定谔在1943年在爱尔兰都柏林的一系列著名演讲中提出的问题，并于次年出版了一本颇具影响力的书——What Is Life? 众所周知，薛定谔是理论物理学的巨人，也是量子力学的创建者之一。量子力学几乎一下子就解释了从亚原子粒子到原子、分子，再到恒星这些无生命物质的本质。
但令人沮丧的是，它并没有解释生命物质。尽管在之后的几十年里，生物学取得了惊人的进展，但生命仍然是个谜。
当被问及物理学能否解释生命时，大多数物理学家会给出肯定回答。不过更确切的问题是，已知的物理学是否能解释生命，或者是否需要借助一些全新的理论。上世纪30年代，量子力学的许多构建者都直觉地认为，生命物质的物理学中必然存在一些新的不同的东西。薛定谔虽然有些犹疑，但对这种可能性持开放态度。他推测说：“人们必须准备好迎接一种新的物理学定律。”
大多数天体生物学家专注于研究我们所知的生命特征。
例如，上世纪70年代，美国航空航天局的“海盗号”火星探测任务就是利用一种适合地球生物食用的营养液来寻找碳代谢的迹象。另一个被广泛讨论的生物特征是单一手征性，即只存在对映异构体中的一种。虽然物理学定律在左右反转的情形下是相同的，已知的生物体利用的却是左旋的氨基酸和右旋的糖。
不过无机土壤化学可以模拟代谢，并且单一手征性可以在没有生命参与的情况下由反复的化学循环产生，所以这种假定的生物特征并不是决定性的。
物理学和生物学之间的鸿沟不仅是关于复杂性的问题，而且是在概念框架上存在根本差异。物理学家使用能量、熵、分子力和反应速率等概念来研究生命；生物学家则用诸如信号、编码、转录和翻译等术语提供了一种截然不同的叙事，一套信息的语言。
有这样一个显著例证足以证明上述观点：令人惊叹的新的CRISPR技术，它使得科学家能够编辑生命的密码本。蓬勃发展的生物物理学领域试图连接起这个概念的鸿沟，比如通过对各种生物控制网络中的信息流和存储模式进行建模。
生命不仅仅通过DNA，也在各个层次上都在进行信息存储和处理。基因是作为加密指令集的DNA序列，它们可以通过化学信使开启或关闭其他基因，而且通常会形成复杂的网络。这些化学通路类似于电子元件或计算元件，有时构成执行逻辑操作的模块或门。在细胞层面上，多种多样的物理机制都允许信号发送，并且会导致合作行为。
生命的信息基础使得一些科学家提出了一个非正式宣言：生命 = 物质 + 信息。
然而，要使这个连接方程获得真正的解释和预测能力，还需要一个正式的理论框架将信息和物质联系起来。这种联系的第一条线索出现在1867年。在一封给朋友的信中，苏格兰物理学家麦克斯韦设想了一个微小的生物，它可以感知在一盒气体中四处乱窜的单个分子。通过操纵一扇小门，这个被称为“麦克斯韦妖”的小东西可以将所有速度快的分子引导到盒子左边，将速度慢的分子引导到盒子右边。
由于这个实验的引导，众多的小妖设备纷纷出现，包括由芬兰阿尔托大学纳米科学小组的 Jukka Pekola 和纽约大学石溪分校的 Dmitri Averin 建造的信息驱动冰箱。在这个冰箱里，气体分子被禁锢于一个双面纳米尺寸的盒子中的单个电子取而代之，这个盒子与热浴耦合。冷却循环利用盒子中具有特定电子能量的两个简并态的存在。在循环最开始，电子处于一个确定的非简并态。
外加电场将电子能量提高到简并能级，这样电子可以以相等的概率停留在两种状态中的任何一种。
这种不确定性的引入意味着电子的熵增加，而热浴的熵，也就是温度相应减少。此时与第一个单电子盒子耦合的另一个盒子扮演小妖的角色，它探测电子处于两种状态中的哪一个，并自动将信息反馈给提供驱动的电场，电场利用这个信息快速将电子返回到初始的非简并态，从而完成整个冷却循环。
研究人员发现，每次循环产生1比特信息——对应电子所处的状态——的过程能够以75%的平均效率从热浴中提取热量。麦克斯韦是对的：信息确实可以作为一种驱动燃料。
因为分子速度是温度的度量，所以小妖实际上是利用分子的信息在盒子里制造了一个热量梯度。然后，工程师就可以利用这个热量梯度来提取能量，做有用功。从表面上看，麦克斯韦设计了一台纯粹由信息驱动的永动机，违反了热力学第二定律。为了解决这个悖论，必须将信息量化并正式包含到热力学定律中。现代信息论的基础由克劳德·香农在上世纪40年代末奠定。
香农将信息定义为不确定性的减少——例如，通过检查掷硬币的结果来降低不确定性。掷硬币确定正面朝上还是反面朝上时获得的信息就是熟悉的二进制数字，或者说比特。为了结合香农的信息论与热力学，信息被定义为负熵。因此，小妖为获得热力学优势而获取的任何信息都必须在某个阶段以熵的增加为代价——例如，当小妖对于分子信息的记忆被清除和重置以便能够重复循环时。
麦克斯韦只是构想了关于小妖的思想实验，但如今纳米技术的进展使得通过实验实现这个基本想法成为可能。数十亿年来，生命甚至一直在制造和利用各种各样的“小妖”。它们充满了我们的身体。复制DNA的分子机器、沿着纤维的物质运输，或者穿越细胞膜的质子泵的运转非常接近理想的热力学极限。它们游走在热力学第二定律的边缘以获得能量优势。
“小妖”仅仅是生命的信息冰山之一角。生物信息远远超出了优化能量预算的功能；它经常扮演管理者的角色。我们可以考虑受精卵发育为胚胎的过程。它在每一个阶段都受到由多种物理和化学过程精细调节的信息网络的监督，所有这些安排使得最终复杂的形式以正确的结构和形态出现。
利用基因调控网络中的信息流来模拟胚胎发生的尝试已经取得了显著成功。加州理工学院的 Eric Davidson 和同事们从化学上描绘出了控制海胆早期发育的基因网络的完整连接图像。通过跟踪信息流，研究小组编写了一套计算机程序来逐步模拟网络动力学。在每一个阶段，他们将回路状态的计算机模型与观察到的海胆发育阶段进行比较，结果获得了令人印象深刻的匹配结果。
自牛顿的时代以来，一种基本的二元论就渗透于物理学。虽然物理状态会随着时间演化，但底层的物理学定律通常被认为是不变的。这个假设是哈密顿力学、轨迹可积性和遍历性的基础。但是，不变的定律不那么适用于生物系统，在生物系统中，信息的动态模式与随时间变化的化学网络相耦合，而表达的信息——例如基因的开启——可能既依赖于全局或系统的物理作用，也依赖于局部的化学信号。
生物学演化具有开放的多样性、新颖性和不可预测性，这也与非生物系统随时间变化的方式形成鲜明对比。然而，生物学并不意味着混沌，我们可以找到许多发挥作用的规则的例证。以通用的遗传密码为例，核苷酸三联体 CGT 编码氨基酸中的精氨酸。虽然这个规则没有什么已知的例外，但把它看作像是万有引力定律一样一成不变的自然法则是错误的。
几乎可以肯定的是，CGT 分配给精氨酸作为密码子是数百万年前从一些更早更简单的规则中出现的。
如果生物学运用了新物理，比如依赖于状态的动力学规则，那么它在简单分子和活细胞之间的哪个位置出现呢？元胞自动机模型或许具有指导意义，但它们是卡通，不是物理；它们不会告诉我们去哪里寻找涌现的新现象。事实上，物理学中已经包含了依赖于状态的动力学的一个熟悉例子：量子力学。
薛定谔在他著名的都柏林演讲中曾求助于量子力学来解释遗传信息存储的稳定性。在克里克和沃森阐明 DNA 结构之前，薛定谔曾推断，信息必须在分子水平上存储于他所谓的“非周期性晶体”中，而这最终被证明是对作为遗传物质载体的核酸聚合物的一个直观描述。然而，一种可能性仍然存在，那就是量子现象在生物体中或许扮演着更普遍的角色。
在之后的几十年里，一个普遍的假设流传开来：在生命物质的温暖嘈杂的环境中，量子现象将被扼杀，经典的球棒化学足以解释生命。然而，在过去十年左右时间里，人们对一种新的可能性越来越感兴趣——非平凡的量子现象，如叠加、纠缠和隧穿效应等，可能对生命至关重要。尽管仍有相当多的怀疑，但科学家目前正对量子生物学这一新领域进行深入研究。
理论物理学家惠勒常说，科学的重大进展更多地源于不同思想的碰撞，而非事实的稳步积累。生物物理学处于物理科学和生命科学这两大科学领域的交叉点。每个领域都有自己的词汇，也有自己独特的概念框架，物理学根植于力的概念，生物学根植于信息的概念。这两者碰撞出的火花预示着一个新的科学前沿，在这里，现在被正式理解为是一个物理量——或者说是一组量的信息占据了中心位置，从而将用于统一物理学和生物学。