在芝加哥大学读书的日子里，得遇早已崇拜的著名物理学家费米的指点，深得治学奥秘，初显物理学方面奇才，并获得博士学位。在这里的刻苦学习为他日后的科学研究打下了牢固而坚实的基础。
1．海外寻兄长，杨振宁的关怀和指点
芝加哥是美国的第二大城市，也是北美五大湖地区最大的工业城市。芝加哥的城市建筑沿着密执安湖向远处延伸，主要建筑正好处在密执安湖畔芝加哥河河口地带，故被人们称为五大湖畔的一颗“明珠”。芝加哥是个比较年轻的城市，1803年才开始建城。芝加哥经济和城市建设是随着美国东部开发建设而发展起来的。由于芝加哥所处的地理位置，正好是经济发达的东海岸向西部殖民扩张的一个重要联结点，所以1848年就在这里修建了由芝加哥到卡林的第一条铁路。到了20世纪初期，芝加哥经济繁荣，人口迅速膨胀到170万人，成了当时美国的特大城市。芝加哥是北美五大湖区最大的湖港，这一带是美国最大的农牧产品基地。五大湖地区又有丰富的煤、铁资源，因而芝加哥是美国主要的工业基地。芝加哥位于五大湖区的芝加哥河河口，这里风景秀丽，气候宜人，在一望无际的湖面上，根本分不清它是湖还是海。芝加哥是美丽的，但对李政道来说，对他最有吸引力的是芝加哥大学，而不是芝加哥的风景。
李政道无心观看车外的景色，尽管车速飞快，他还是认为车像老牛一样在前行，李政道想见杨振宁的心情太迫切了。
李政道很快就找到了芝加哥大学。一走进芝加哥大学校门，李政道就非常激动，尽管一切都是那样地陌生，可在他眼里又似乎非常熟悉，好像他回到了生活多年的母校一样。经过几番周折，李政道终于在芝加哥大学的国际实验楼找到了自己的兄长杨振宁。两人在异国他乡相逢，都感到非常激动，互相捶背打肩，拥抱雀跃。
李政道激动得眼泪都流出来了，他感到自己回到了家，回到了亲人旁边，感到非常温暖，顿时有了依靠。
李政道多少天来的苦闷、困惑、孤独，终于找到了诉说的机会，他迫不及待地向兄长诉说自己离开祖国到美国后的种种遭遇，但由于心情太急迫、太激动，李政道的言语不仅难以表达自己的意思，就连句子也说不成。此刻的杨振宁，非常了解李政道的心情，笑着对他说：“政道，不要急，咱们先回到我的住处，洗洗脸，吃了饭后，我再仔细地听你说。”
听了杨振宁的话，李政道有点不好意思地笑着说：“杨大哥，经你这一说，我真的有点饿了。
”杨振宁帮李政道提着行李回到了自己的住处。二人洗了洗脸，就一同到餐厅去吃饭。在吃饭的时候，李政道的心情已经平静下来。他边吃饭边向杨振宁述说了一个多月来的遭遇和复杂的心情变化。杨振宁认真地听了李政道的叙述，然后也向李政道讲述了自己的经历，特别是讲述了他初到美国的经历和感受。原来，杨振宁初到美国的时候也不是一帆风顺的，他的遭遇和李政道的差不多。杨振宁是1945年11月到达美国的。到达美国后，他的第一件工作，也是想找到一所学校读书学习，然后再看机会找一所好学校和一位好导师。但杨振宁的愿望不能实现，想在二战刚结束后的美国找到一所学校学习，对中国人来说是非常困难的。在多次碰壁之后，出于无奈，他只好去找自己在国内时就早已倾慕的大名鼎鼎的费米教授，他认为自己或许能见到费米教授。当时他听说费米先生是哥伦比亚大学的教授，为此他就直接到哥伦比亚大学。当时费米先生不仅在基本粒子物理上有重大贡献，而且是主持制造世界上第一颗原子弹的人，名声非常大。但是，由于战时的特殊需要，费米先生的行踪是保密的，甚至连费米这个名字也是保密的。当杨振宁到哥伦比亚大学去问费米教授什么时间来上课时，哥伦比亚大学物理系秘书竟说他从未听说过有一个叫费米的人。秘书的回答，使杨振宁首先感到的是吃惊，然后是非常失望。杨振宁讲到此处，笑着对李政道说：“当时我的心情和你在华盛顿的心情差不多，甚至比你感到更失望。因为人们连费米的名字都不知道，那你能到哪里去找这个人呀？”
停顿一下，杨振宁接着说：“满怀希望的我，好像当头被浇了一大盆冷水，从头到脚都感到冰凉。当时，我在那里呆呆地站了许久。物理系的秘书叫我，我才反应过来。”
“年轻人，如果没有别的事情，我要下班了。
”听了杨振宁的叙述，李政道的心情也很沉重，沉默片刻后，李政道问道：“那么你又是怎么来到这芝加哥大学的呢？”
对于李政道的问话，杨振宁思考了一会儿后，缓缓地说：“当时，我非常失望地走出了物理系办公室，心里空荡荡的。我在楼外信步走了很长时间才理出个头绪来。此时，我想起了我从前的一位老师，这位老师正在美国教书。于是我决定去看望他，或许他能给我以帮助。我从前的那位老师叫张文裕，当时他受普林斯顿大学邀请，在这所大学任教。他是福建惠安人，农家出身，为人热心厚道，曾留学英国剑桥大学，受业于大物理学家卢瑟福。张文裕老师很热情地接待了我。我一见到张文裕老师，就把自己的遭遇和心情告诉了他。”
说到这里，杨振宁停顿了片刻，喝了点茶水，接着说：“出门在外的中国留学生，只要遇到中国人，都会得到最真诚的帮助和支持。张文裕虽然是名教授，但他对我这样初来乍到的青年人却是尽力帮助的。他告诉我，费米先生不久就要到芝加哥大学主持一项研究，并在那里任教。听了张教授的话，我高兴得几乎跳了起来。这个消息对我来说太重要了。
”中国有句古话：“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫。”
杨振宁此时的感觉是眼前豁然开朗，一切都充满了希望。回忆起往事，杨振宁还沉浸在当时的激动欢乐之中。但李政道却沉不住气了，向杨振宁道：“杨大哥，到芝加哥大学读书是否容易？你知道，我没有本科文凭，大学我只读了两年！”
看到李政道非常焦急的样子，杨振宁说：“我当时也是费尽了周折，想尽了办法，一直到去年年底才完全办妥了进入芝加哥大学读书学习的手续。在美国这样的国家，竞争非常重要，一切都要靠你自己去力争，一定要充满自信心。我信任你，而且会尽最大努力帮助你的。”
杨振宁非常热情，尽力安慰和鼓励着小他4岁的李政道：“我感到，初到美国，最初三个月最难熬，思乡情绪极为浓厚，无法把心思集中在读书上，甚至天天焦急地等待邮差带来家信。但是，三个月过后，就会慢慢好起来。你会很快适应这里的气候和生活的。”
随后，杨振宁又向李政道介绍了芝加哥大学的一些情况。芝加哥大学对学历倒不十分严格，颇具不拘一格的气派。芝加哥大学位于距芝加哥城11公里的密执安湖畔，创建于1890年，是美国一所著名的私立大学。这所学校外部环境优美，特别是密执安湖给芝加哥大学增添了神韵和秀丽。芝加哥大学内部环境也非常诱人，到处是树木花草。它的建筑也独具特色，在这座美丽的校园里，有一座中世纪城堡式的建筑物非常引人注目，在这座建筑物前面外墙上挂着一块镂花金属牌子，上面写道：“1942年12月2日，人类在此实现了第一次自持链式反应，从而开始了受控的核能释放。”
每当外来的学者和新入校的学生走到这块牌子前，就会以崇敬的心情赞叹这位美籍意大利物理学家费米先生，这也是人类的骄傲和自豪，因为从此拉开了人类利用新能源的新纪元。芝加哥大学是一所男女同校的综合性大学，有许多诺贝尔奖获得者都曾在这里就读和工作过。这所学校对中国很友好，很早就同中国有往来。
1919年受胡适先生的邀请，芝加哥大学教授杜威曾到中国讲学和作研究调查。杜威是一位很有名望的哲学家和教育学家，曾任芝加哥大学哲学系、心理学系和教育学系的系主任，并创办了芝加哥大学实验学校。中国的著名物理学家周培源教授，1926年就曾在这里获得了两个学位。通过杨振宁的介绍，李政道面见了校方领导。校方领导看了著名物理学家吴大猷教授的推荐信后，对这位没有本科毕业证、只读完大学二年级课程的中国年轻人没有冷眼相看，表现了博大的胸怀和热情。校方对李政道很友善，答应想办法接受这位中国青年进芝加哥大学学习深造。这种友好而热情的表示，对到美国一个多月来非常苦恼的李政道来讲，是极大的安慰。芝加哥大学具有自己独特的办学方式，它非常重视著名教授所写的推荐信和介绍信。由于李政道持有吴大猷教授的推荐信，所以，李政道很快地就被正式录取到芝加哥大学物理系。
2．慕名而来，投师费米
李政道矢志不渝地投师费米，与他在西南联大读书时，特别是在与吴大猷先生密切接触时培养起来的爱憎、兴趣和对科学研究风格的欣赏有极大关系。在学习研究中，在听老师对当代科学家的介绍和评价中，他特别欣赏和偏爱爱因斯坦、费米、狄拉克等人的水平和研究风格。这种风格是由科学家本人的爱憎，再加上他的能力、脾气、机遇等众多因素塑造而成的。这种风格一旦形成，又反过来决定了科学家在事业上的成败与贡献。爱因斯坦、费米、狄拉克等都是20世纪的大科学家，世界闻名。他们三人的风格不尽相同，但有其共同之处，这就是善于透过现象看本质，并且都喜欢单刀直入，一针见血。他们还都能把自己所发现的事物的本质通过深入浅出的办法——用数学的方式表现出来。后来，李政道和爱因斯坦来往也比较多，还曾在爱因斯坦的研究所工作，得到爱因斯坦的赏识。但李政道认为爱因斯坦年事已高，已经退休，因而他极力追随费米先生。当李政道在芝加哥大学读博士研究生的时候，正是第二次世界大战结束后的第二年，是美国各大学已正式恢复学术研究和大学教育、研究生教育的时候。有了这样的安定环境，被战争贻误了学业的学生们大批大批地回到校园，回到书桌前，回到实验室。芝加哥大学物理系此时的研究生数量很多，其中许多人是慕费米先生之名而来的，李政道也是其中的一名。费米先生不辜负学生们的厚望，他尽职尽责地把自己的知识、经验和方法无私地奉献给了学生和科学事业。由于费米的辛勤努力，使芝加哥大学培养出了一大批科学人才。费米在物理理论与物理实验方面，都是原子核物理的领导者，他1936年获得诺贝尔物理学奖。
李政道在芝加哥大学直接接触费米之后，进一步深化了他在西南联大时对费米先生所作的判断。他通过耳濡目染，领略了费米教授善于抓住物理现象看本质的风格。费米教授讲起课来，总是那么明白易懂，推理是那么简洁明快，解决问题总是那样单刀直入、击中要害。这除了他精心准备、反复推敲外，主要在于他的风格是简洁明快的，不是形式化的，也不是繁琐式的。费米教授曾开玩笑说：“把复杂的形式主义留给那些‘主教们’去搞吧！”
李政道欣赏费米先生的学者风采和物理思想及他的教学方法。当然，李政道也以他的才能、东方人特有的勤奋与踏实肯干的作风，得到了费米教授的赏识。费米和李政道之间建立了亲密的师生关系。费米先生1901年出生在意大利的罗马，从小就受到了良好的教育。罗马当时不仅是意大利的政治、文化中心，也是欧洲的文化中心。基督教教皇宫廷就在罗马。俗话说“条条大路通罗马”，罗马是人们向往的历史文化名城。正是在这样一个世界闻名的城市里，费米度过了他的少年时代。他17岁考入位于比萨的皇家高等师范学院，21岁时就因聪明和学习努力取得了博士学位，此后不久，费米幸运地遇见了一位对他的一生起了非常重大作用的人。这个人就是罗马大学理学院院长柯比诺教授。当时柯比诺教授正雄心勃勃，决心要振兴意大利的物理学。费米和柯比诺相识后，柯比诺教授很欣赏费米，柯比诺教授清楚地意识到他振兴意大利物理学的宏愿现在有可能实现了。