从1946—1949年，李政道有幸在费米先生等一批造诣很深的导师的指导下攻读博士。费米对他的要求是不要急于定下来是搞理论还是搞实验，即使论文分了专业了，也不能以论文来定终身。论文做些什么，并不是说一生就只做这个工作了。
在费米这种思想的指导下，1948年李政道与杨振宁以及鲁生普罗士三人合写了一篇关于粒子物理方面的文章，指出存在一个弱相互作用的区域，李政道还随费米先生做了天体物理方面的工作，在费米的指导下完成了题为《白矮星的含氢量》的博士论文，还在流体力学、统计力学、场论等方面进行过深入的研究……他的这种涉猎广泛的学习研究方法深得费米的赞同。
1950年，年仅24岁的李政道取得了博士学位。在评审博士论文时，李政道的《白矮星的含氢量》被誉为“有特殊见解和成就”，列为第一名，获得奖金1000美元。
校长在授予他博士学位证书时，赞扬说：“这位青年学者的成就，证明人类高等智慧的阶层中，东方人和西方人具有完全相同的创造力。”
同年，李政道到加利福尼亚大学任天文学研究员。不久，学校就发现李政道的学问广博、精深，在现代物理方面有较高的才能，便改任他为物理学副研究员。第二年，李政道受聘于普林斯顿大学高等研究所，任研究员。在这里，云集了世界第一流的科学家、学者和教授；在这里，李政道又与杨振宁重逢，开始了他们长达16年的极为密切的黄金合作。
1958年，当李政道离开普林斯顿时，原子弹之父、院长奥本海默（J.R.Oppenheimer，1904—1967）说：
“……看到他离开，我们十分不舍。他是我们所知道的最有才华的理论物理学家之一。他在统计力学、核物理学和基本粒子物理学中的成就使他成为世界知名的人物。他的研究呈现出鲜明、灵活的独特风格。”
奥本海默对年仅27岁的李政道的评价并非是过奖之词，李政道到普林斯顿后，立即与杨振宁合作，在统计力学和核物理学等方面解决了一些极为突出和十分复杂的问题，因而迅速成为一个相当有名望的理论物理学家。
奥本海默是一位重要的物理学家，当时在美国十分有名。在他年仅12岁时，就曾以一篇学术价值很高的论文饮誉美国学术界。1946年，他因组织制造原子弹有功而被授予梅里特国会勋章，从此，人们开始称他为“原子弹之父”。
1953年以后，李政道又先后任哥伦比亚大学的助理教授、副教授。
1954年，李政道在哥伦比亚大学任物理学助理教授时，就提出了著名的“李氏模型”。这是一个假设的量子场论模型。其中有三种基本粒子：N、V和θ粒子。N和V粒子是自旋为1/2的费米子，θ是自旋为0的玻色子。V可以发射θ而转变成N，N可以吸收θ而转变成V。这种模型可以和实际的中子、质子和π介子类比，而类比法是物理学研究中的重要方法。德布洛意的物质波理论和汤川秀树的介子场论，都是利用类比的方法提出来的。“李氏模型”是量子场论极少有的可以完全解出来的模型之一。因此，颇受世界各国物理学界的重视。如果V粒子的质量超过N和θ粒子质量之和，而V是不稳定粒子，在静止时它会衰变为N和θ粒子。这样，“李氏模型”可用来检验共振态的质量和半衰期的定义。1956年，李政道年仅30岁，就成了哥伦比亚大学最年轻的教授。
李政道在基本粒子物理和统计力学方面都作出过突出的贡献，还对夸克模型、真空等课题有自己独到的见解。美国学术界纷纷赞扬李政道的聪明才智，说他是“走在时代前面的卓越物理学家”，有过人的智慧。然而过人智慧却不是凭空掉下来的，而是来源于勤奋，来源于刻苦。
1977年，李政道回国讲学时，住在北京饭店，每天3点多钟就起来读书、备课，当人们问他，平时是不是也这样早起床，他说：“大概是这样，这对我来说，已经成了下意识的事情，多年来，已经变成了我的一种生活方式。”
听到这些，人们无不为之感动：天才来自勤奋，过人的智慧来自超人的劳动！
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