比李政道早几年获得博士学位的杨振宁，矢志不渝地追随费米。虽然也是费米门下的高足，也有幸聆听了费米的课，但他没有李政道有福气，未能如愿以偿，在物理大师费米亲自指导下，撰写他的博士论文。然而，费米非常赏识杨振宁，他曾这样赞扬他：“杨振宁是今世最杰出的科学家，他跟中国古代著名学者不求闻达的态度完全一样。能够结识他，深引以为荣。若说他是我的学生，诚愧不敢当。当我们在一块儿共同研究学术时，我经常意识到他是一位悟性极高、确能举一反三的科学家。在普林斯顿物理研究院的许多专家中，我最赏识杨振宁博士那种不怕难，在解决问题时那种坚定持重和沉静的态度。这乃是从事科学研究的青年人应该学习的。”
在费米的直接关照下，杨振宁得到了著名教授、美国“氢弹之父”泰勒的帮助。
本来，杨振宁曾立志当一位实验物理学家，因为他深深感到，中国的实验物理太薄弱了。自己从小学到中学，以至在大学和研究院期间，由于条件的限制，实验接触的太少，所以实验技巧掌握的比较少。
上了费米主持的研究班后，杨振宁就向费米提出，希望在费米的指导下，写一篇实验论文。但是当时的费米还没有完全结束战时的秘密工作，还要去位于芝加哥西南郊的阿贡国家实验室，指导科研人员从事秘密研究工作。而杨振宁当时是初到美国的外国人，自然不能进阿贡国家实验室工作，所以杨振宁的计划没有成功。后来费米介绍他到芝加哥大学物理系艾里逊（S. K. Allison）教授的实验室去工作。
艾里逊教授的实验要造一套40万电子伏特的加速器，这在当时是相当大的。五六个研究生参加了这个工作，其中就有杨振宁。
杨振宁在艾里逊的实验室里工作了20个月，在那里他工作得并不如意。遇到电子仪表出现故障，杨振宁总是小心翼翼地把线路图打开，想仔细研究一下毛病究竟出现在哪儿。一次，为了寻找故障的原因，杨振宁正仔细对照图纸认真通过计算查找原因。
“杨，你真笨！”看着杨振宁已算了好几张纸，一位名叫威尔科克斯的同学向他嚷道。
接着这位同学走过来，左看看，右看看，然后在连接部位果断地猛踢两脚。奇怪的是，仪表居然很快就转动了，杨振宁对威尔科克斯的这两脚真佩服得很。后来，仪表又不转了，杨振宁就依法炮制，可是左踢右踢，怎么也不行。
又有一次真空管漏气，杨振宁从10多米的管子这头找到那头，一连几个来回也找不到泄漏点，急得他满头大汗。而一位名叫阿诺的同学只用两分钟就解决了问题。
杨振宁后来在他的《读书教学四十年》一书中曾这样诙谐地描述他那段经历：
“……在艾里逊实验室度过的20个月，对我来说确是很有教益的。我亲身体验了一个实验物理学家所遇到的一些挫折。那座加速器时常稀奇古怪地漏气。它有一个怪脾气：只有夜幕降临时才能正常工作。我发现，实验室某些同学具有神秘莫测令我惊愕的第六知觉，他们知道在什么地方可以找到漏气洞；当定标电路失常时，他们知道应该在什么地方踢一脚。实验室里的同学和我相处很好，因为我有时在理论方面帮助他们。可是他们爱开我的玩笑。艾里逊特别喜欢的一个玩笑是：‘哪里炸得乒乓作响，哪里准有杨振宁在场’。”
实际上，实验不成功，并不全是因为杨振宁本身的实验本领不太高明，而是在当时的技术条件下，在那台到处漏气、电路常出故障的加速器上，杨振宁要做的“分辨H5的P1/2、P3/2”的实验，是一个根本做不出来的题目。
正当杨振宁为实验难以成功而感到苦恼时，泰勒（E. Teller）教授找到了他。
爱德华·泰勒是芝加哥大学物理系对杨振宁有重要影响的另一位外籍美国教授，著名物理学家。30年代他曾师从德国著名科学家海森堡做过博士论文，他对化学、物理学都有过重大贡献。他也是在纳粹分子迫害科学家时，从欧洲流亡到美国的。在第二次世界大战结束后，泰勒教授稍后于费米转到了芝加哥大学。在奥本海默成为美国原子弹计划“曼哈顿工程”的理论、设计负责人后，泰勒也到了洛斯阿拉莫斯，由他率领一些人组成小组，致力于氢弹的理论研究。由于他在研制氢弹中做出了首创性的杰出的贡献，人们尊称他为美国的“氢弹之父”。
“你做的实验是不是不大成功？”泰勒从杨振宁沮丧的神情中知道，杨振宁肯定遇到了麻烦。
“是的。”
“你不必坚持一定要写一篇实验论文。”泰勒先生关切地说，“你已写了理论论文，而且你在理论上是擅长的。”泰勒先生鼓励道，接着他直率地对杨振宁说：“你就用一篇理论论文作毕业论文吧，我可以做你的导师！”
听了泰勒的话，杨振宁感激地抬起了头。此时他的心里很矛盾，一方面他深感失望，因为从到芝加哥的第一天起，他就一心一意想写一篇实验方面的论文；另一方面他又确实从心底里感到，自己在实验方面力不从心。泰勒先生的建议是对的，自己写毕业论文，肯定理论论文会写得更好一些。他从心底里感谢泰勒先生。然而要立即下决心，对他实在不是一件容易的事。
“我想考虑一下，两天后我再告诉您！”杨振宁恳切地泰勒先生说。
两天以后，杨振宁经过认真考虑，决定接受泰勒的建议，放弃撰写实验论文的打算。
此时的杨振宁如释重负，信心百倍地转向了理论物理的研究。后来，他在《读书教学四十年》中幽默地写道：
“这是我今天不是一个实验物理学家的道理。有的朋友说这恐怕是实验物理学的幸运。”
原来，当杨振宁找到费米，而费米又不可能成为杨振宁写实验论文的博士生导师时，费米建议杨振宁和泰勒作理论研究，而实验可以到艾里逊的实验室去做。所以当杨振宁在撰写实验论文发生困难时，泰勒教授主动出来关心他。
杨振宁给泰勒老师打电话，泰勒教授说，费米已经把你的情况跟我讲过了。并邀杨振宁一起去散步。散步中，泰勒问杨振宁关于氢原子基态波函数的问题，杨振宁很快就答出来了，因为杨振宁在国内念书时就掌握这个问题了。
听了杨振宁的回答，泰勒高兴地说：“你通过了！我接收你做我的研究生！”
在泰勒看来，有的人尽管理论物理学得不错，但对像氢原子波函数这类最基本的概念、以及其中的重要数据却没有掌握。杨振宁能正确、简明地即时回答这个问题，说明他基础扎实、思维清晰，是大有造就且很有发展前途的。于是，杨振宁就成了泰勒的研究生。
1948年夏天，杨振宁在泰勒的指导下，完成了题为《核反应》的博士论文，开始了他新的历程。
1948年，杨振宁获博士学位后应校方的聘请，在芝加哥大学物理系当了一年教员。1949年春，美国的“原子弹之父”、普林斯顿高等学术研究院院长罗里·奥本海默教授应邀到芝加哥大学进行讲演。杨振宁久慕普林斯顿那里理论研究人才济济，奥本海默来芝加哥讲演后，更激起他去普林斯顿的愿望。他请泰勒和费米推荐他去普林斯顿，泰勒和费米都非常了解杨振宁，高兴地给他写了推荐信。
奥本海默收到推荐信后，很快就回了信，同意接受杨振宁。就这样，杨振宁在人才济济，号称“象牙之塔”的普林斯顿高等学术研究院工作了17年。他和李政道的合作，就是在这一阶段进行的。
人人都知道，杨振宁和李政道关于弱相互作用下宇称不守恒的理论荣获了科学界的最高奖——诺贝尔物理学奖，但只有物理学家才知道，杨振宁在物理学领域的最高成就，是早在1954年，他和美国物理学家密耳斯（R. Mills）共同发表的被称为杨—密耳斯场的非阿贝尔规范场理论。这个理论于近10余年来已被世界物理学家公认为是20世纪最伟大的理论结构之一。
《中国大百科全书·物理学II》中有这样一段文字：
“他最杰出的贡献是1954年与R. L·密耳斯共同提出杨—密耳斯场理论，开辟了非阿贝耳规范场的新研究领域，为现代规范场理论（包括电弱流统一理论、量子色动力学理论、大统一理论、引力场的规范理论……）打下了基础。杨—密耳斯场方程最近被数学家S·唐纳森引用，获得了拓扑学上的重大突破。”
1953—1954年，杨振宁在纽约市东约80千米的长岛布鲁克海文国立实验室做访问学者，与在那里做博士后工作的密耳斯在一个办公室共事。在这短短的一年里，他们经常一起讨论规范场的问题。密耳斯在《规范场》（刊登于《自然杂志》1987年第8期：563—577）一文中写道：
“杨振宁当时已在许多场合中表现出了他对刚开始物理学家生涯的青年人的慷慨，他告诉我关于推广规范不变性的思想，而且我们较为详细地作了讨论。我当时已有了有关量子电动力学的一些基础，所以讨论中能有所贡献，而且在计算它的表达形式方面也有小小的贡献，但是一些关键性的思想都是属于杨振宁的。……”
密耳斯还在1984年12月在北京科学会堂召开的庆祝杨—密耳斯场发表30周年纪念会上，满怀深情地讲：
“30年前，杨振宁已是一位教师，而我还是一名研究生，那时我和他同在一个办公室，我们经常讨论问题。杨振宁是一个才华四射、又是一个非常慷慨引导别人的学者。我们不仅共用了一个办公室，杨振宁还让我共用了他的思想……”
除了宇称不守恒和杨—密耳斯场理论外，杨振宁在统计物理和高能物理等领域也都有杰出的贡献。1986年3月12日美国总统里根在华盛顿白宫授予杨振宁国家科学奖章，这是美国政府给有卓越成就和杰出贡献的科学家的最高荣誉。
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