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这段期间也给了我们很多机会，来深入思考一些想法——至少是短期内更容易用数据排除的想法。一些更有趣、更具想象力的模型与理论启示，来源于过去25年的数学探索。如果数据更丰富，我怀疑我更可能会从数学角度思考额外维度或者超对称。即使所做的测量最终支持这些想法，如若没有之前充足的数学探求，其应用的获得也将耗费不少时间。
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实验与数学都能引领科学的进步，但是通往发展的道路是不清晰的，而物理学家已经根据最好的发展策略做了划分。模型创建者使用“自下而上”的方法，从已知的实验事实出发，解释剩余的未知谜题——通常采用更多理论的以及数学的方法 。第17章介绍了一些具体模型的例子，以及它们如何影响大型强子对撞机的实验物理学家来开展进一步的搜索。
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其他人（主要是弦理论学家）则采取“自上而下”的思考方法，从他们认为正确的理论（即弦理论）出发，试图使用它的基本观念来构造一种自洽的量子引力理论 。自上而下的理论是定义在高能标和小尺度上的。它指的是一种理论观念：任何东西都可以从定义在高能标上的基本假设推导出来。虽然该名称可能很具有迷惑性，但是因为高能标对应于小尺度，别忘了在小尺度上的元素都是物质的基本组成要素。在这样的思考模式中，每一样东西都可以从基本原理和基本元素（这些都定义在小尺度和高能标上）推导出来，因此称为“自上而下”。
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本章将要介绍“自上而下”与“自下而上”两种方法，并将它们进行对比。我们将探索它们的差别，也将思考它们如何可以结合在一起，以产生惊人的见解。
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优美的弦理论
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与模型创建者不同，更倾向于使用数学的物理学家试图从纯理论出发构造理论。他们的期望是，从一个优美的理论出发，推导出可能的结果，并将该想法用于解释实验数据。绝大多数建立统一理论的尝试都采用“自上而下”的研究方法，弦理论也许是这些例子中最有希望的一个。它是一个猜想，是其他所有已知物理现象所追随的最终的基本框架。
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弦理论学家在物理学尺度上迈出了一大步，他们试图征服从弱能标到普朗克能标（在该能标上引力变得很强）的跨越。实验物理学家可能无法在可见的未来直接检验这些想法（额外维度模型也许是一个例外）。即使弦理论本身太难检验，弦理论的元素却为一些与之相结合且有机会观测到的模型提供了想法。
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物理学家所问的，是有关模型建立与弦理论之间的取舍问题——是需要按照柏拉图式的方法，试图从一些更基本的理论事实中获得预见；还是按照亚里士多德的方法，扎根于经验的观测。你愿意采取“自上而下”还是“自下而上”？这个选择也可以重新表述成“老爱因斯坦与小爱因斯坦”的选择。爱因斯坦最初确实认为实验是物理研究的基础，尽管他同时也给予“美”与“雅”高度的评价。甚至当一个实验结果与他的狭义相对论相矛盾时，他也确信（最终被证明是对的）是实验发生了错误，因为否则相对论的应用就太丑陋，以至于不能被信赖了。
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当数学最终帮助爱因斯坦完成了广义相对论的研究时，他变得更具有数学倾向。数学进展对于完成他的理论至关重要，所以在职业生涯的后期，爱因斯坦更加相信理论方法。然而，爱因斯坦没有解决这个问题。尽管他将数学成功应用到广义相对论中，然而他后期对于统一理论的数学研究也从来没有取得成果。
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哈沃德·乔吉与谢尔登·格拉肖提出了大统一理论，它也是一种“自上而下”的想法。如我们所知，大统一理论基于数据，他们猜想的灵感来源于标准模型中特殊集合的粒子与相互作用，以及它们相互作用的强度，但是该理论却从我们所知道的东西中，选择出可能结果，它发生在距离现在遥不可及的高能标上。
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有趣的是，即使统一理论可能出现在远超今天的粒子加速器所能达到的能标上，大统一理论初始模型作出的预测却是有可能可以观测到的。大统一理论模型预测，质子可以衰变。该衰变会花费很长时间，但是实验物理学家建造了巨大的池子，其中装满材料，希望其中至少有一个质子可以衰变而留下可见信号。然而当它并没有发生时，初始的大统一理论模型被否决了。
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自那以后，乔吉与格拉肖都没有再研究任何有如此大能量跨度的“自上而下”的理论，即从我们目前在加速器中使用的能量，到那些高到没有它们，对目前的实验也只会造成微妙影响（或者一点影响都没有）的能量。他们认为将目前我们所能理解的能量与尺度改变这么多数量级，从而猜想出一个正确的理论，那简直太不可思议。
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尽管乔吉与格拉肖有所保留，其他许多物理学家却认定，“自上而下”才是唯一能够攻破难题的方法。弦理论学家选择了一条不归路——不是传统的科学，却带来了丰富（虽然存在许多争议）的想法。他们理解理论的一些方面，却仍在努力把它们拼接起来，在形成与发展他们激进的想法时寻找底层的关键原理。
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弦理论的目标是建立一个不是来自于实验数据，而是来自于理论疑难的引力理论。它提供了一种引力子的自然解释，量子力学告诉我们，传递引力的粒子必须存在。当前量子引力首当其冲的、自洽的候选理论是弦理论，而量子引力是将量子力学与爱因斯坦的广义相对论相结合的理论，因此它的适用范围是在相当高的能标上。
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物理学家可以使用已知理论合理地在小尺度（例如在原子内部）上作出预测，量子力学起重要作用，引力可以被忽略。引力对相当于原子质量大小的粒子的影响极其微弱，所以我们可以使用量子力学而放心地忽略引力。物理学家也可以在大尺度（例如在星系内部）上作出预言，引力占据主导地位而量子力学可以被忽略。
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然而，我们没有一种可以将量子力学与引力结合起来的理论，即在任何可能的能标和尺度上都适用的理论 。我们不知道在极高能标、极小尺度的地方——与普朗克能标或尺度相当的地方，如何开展计算。因为引力的影响对超重或者超高能的粒子更大，所以引力对于具有普朗克质量的粒子起着非常重要的作用。在极小的普朗克长度上，量子力学的效应也很显著。
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虽然这个问题没有损害任何可观测到的现象（至少在大型强子对撞机上没有），但是它意味着理论物理是不完备的。物理学家还不知道如何自洽地将量子力学与引力结合在极高能标与极小尺度的地方——两者对预测而言都相当重要且不能被忽略。我们理解中的一个重要缺口可能反而会为我们指出一条道路。许多人认为弦理论是它的解决方法。
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“弦理论”名称的由来是振动的基础弦，它是最初理论构想的核心。粒子存在于弦理论中，但是它们从弦的振动而来。不同的粒子对应不同的振动，非常像是从振动的小提琴琴弦产生的不同音符。原则上看，弦理论的实验证据应该包含那些相应于弦振动产生的模式的新粒子。
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然而，绝大多数这种粒子很可能因为太重而不可能被观测到，因此这是实验很难检验弦理论在自然中是否存在的原因。弦理论方程描述的物质如此微小且具有如此之高的能标，以至于任何我们可以想象出的探测器都不可能探测到它们。并且该理论定义在一亿亿倍于人类现今的仪器所能达到的能标之上。目前，我们甚至还不知道当碰撞粒子的能标提高10倍时所能发生的事情。
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弦理论学家不能对实验可及的能量上的现象给出唯一预言，因为粒子组成与其他性质依赖于该理论中还没有确定的基本元素。弦理论在自然中的结果依赖于这些元素的安排。在当前的构造中，弦理论包含了太多的粒子、太多的相互作用、太多的维度，远远超出真实世界所能观测到的 。是什么原因导致这些粒子、作用与维度有别于我们能看见的那些？
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例如，弦理论的空间不一定是我们周遭有着三个空间维度的空间。相反，弦理论的引力描述了具有6个或者7个额外维度的空间。弦理论的一种有效版本解释了这些看不见的额外维度如何有别于我们能看到的那三维。弦理论是如此引人注目，以至于类似额外维度等迷惑人的性质模糊了它与可见宇宙之间的联系。
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为了从高能弦理论推断目前可以测量的能量上的结果，我们需要推导，将原始理论中的极重粒子去除后所得到的结果。然而，弦理论在低能量时，有许多种可能的实现方法，我们也不知道如何区分这些极大范围内的可能性，或者如何找出与现实世界相似的那一个。问题是，我们还没有充分地理解弦理论，以推导出它在所见能标上能给出的结果。理论的预测被它的复杂性所削弱。不仅它的数学性是一个艰难的挑战，而且我们都不清楚如何组织弦理论的元素，以及确定哪些数学问题需要被解决。
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最重要的是，我们现在知道，弦理论比物理学家最初认为的复杂得多，并且涉及了许多其他有着不同维度的要素——主要是膜。弦理论这个名称还是普遍地适用，但是物理学家也可能指的是M-理论，虽然没有人真正知道“M”代表什么意思。
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弦理论是一种宏伟的理论，它已经导致了意义深远的物理与数学的洞见，并且很可能包含正确的描述自然的要素。然而，一个巨大的理论沟壑将目前所理解的理论与描述现实世界的预测远远地隔离开来。
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最终，如果弦理论正确，所有描述真实世界现象的模型应该可以从它的基本前提出发推导出来。但是它的初始构造非常抽象，而且它与可观测现象相去甚远。如果能找到所有正确的物理原理，使弦理论的预测可以与自然相符，那我们将是多么幸运啊！这是弦理论的终极目标，也是一个令人望而却步的任务。
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