40年后，这样的设施已经有近千所。在大多数此类实验室中，人们崇尚的是技术而非科学。像奥本海默这样专门致力于“小规模”科学研究的理论物理学家逐渐会发现自己与这些大实验室的文化格格不入，这些实验室往往致力于“军事科技”。即使在20世纪30年代，一些年轻的物理学家也已经无法忍受这种大实验室的氛围。奥本海默和劳伦斯的学生罗伯特·威尔逊决定离开加州大学伯克利分校去普林斯顿大学，因为他觉得与这些大型机器有关的科学研究是“最糟糕的团队研究的缩影”。
用80吨磁铁建造回旋加速器需要大量的资金，不过劳伦斯很擅长从加州大学伯克利分校董事会那里募集资金，校董事会成员包括石油大亨埃德温·鲍莱、银行家威廉·H.克罗克和政治掮客约翰·弗朗西斯·尼兰，尼兰碰巧也是威廉·伦道夫·赫斯特的首席法律顾问。1932年，在校长斯普劳尔的资助下，劳伦斯成为旧金山精英组织——波希米亚俱乐部的会员，该俱乐部是加州最有影响力的商人和政客的兄弟会。波希米亚俱乐部的成员不会欢迎像罗伯特·奥本海默这样的人，因为他是犹太人，而且太不食人间烟火。可是，在中西部农场长大的劳伦斯毫不费力就融入了这个精英圈子。（后来，尼兰把劳伦斯弄进了门槛更高的太平洋联合俱乐部。）就在劳伦斯不断从这些权势人物那里获取资金的时候，他渐渐也认同了他们保守的、反对罗斯福新政的政治观点。
相比之下，奥本海默在科研中对金钱的态度可谓漫不经心。他的一位研究生在信中请他帮忙为某个项目筹集资金，他匪夷所思地回复：这样的研究“就像进入婚姻和成为诗人一样，应该加以劝阻，而只有克服这些阻碍才能成功”。
1930年2月14日，奥本海默完成了一篇开创性的论文《关于电子和质子理论》。根据狄拉克方程，奥本海默认为，电子一定有一个带正电的对应物，而且这个神秘的对应物应该与电子本身具有相同的质量。它不像狄拉克所说的是一个质子，相反，奥本海默预言了“反电子——正电子”的存在。具有讽刺意味的是，狄拉克并没有在他自己的方程式中领悟到这一点，而他欣然将这一洞见归功于奥本海默——这促使狄拉克很快提出也许存在“一种实验物理学家不知道的、与电子具有相同质量和相反电荷的新型粒子”。他是在试探性地提出反物质的存在，狄拉克建议将这种难以捉摸的粒子命名为“反电子”。
起初，狄拉克本人对自己的假设也有些不安。沃尔夫冈·泡利、尼尔斯·玻尔都断然拒绝接受这样的观点。“泡利认为这是无稽之谈，”奥本海默后来说，“玻尔不仅认为这是无稽之谈，还深度质疑”。正是奥本海默这样的人促使狄拉克预言了反物质的存在，这是奥本海默原创思维的最佳范例。1932年，实验物理学家卡尔·安德森证明了正电子的存在，正电子是与电子对应的带正电的反物质。此时距离奥本海默通过计算得出理论上存在正电子已经过去两年时间。1933年，狄拉克获得了诺贝尔物理学奖。
这个时候，全世界的物理学家都在竞相解决同样的问题，争夺第一的竞争非常激烈。在这场比赛中，奥本海默是一位多产的业余选手。虽然他只和屈指可数的几位学生合作，但他仍能涉猎一个又一个重大研究课题，结果他总是比别人提前一两个月发表相关的研究进展。加州大学伯克利分校的一位同事回忆说：“奥比和他的团队在这些问题上都取得了一些成果，他们从未在这场竞赛中落后，这太令人吃惊了。”这些结果可能不够完美，在细节上也未必特别准确，甚至不得不需要后来者加以修正，但奥本海默总是能抓到问题的本质。“奥比对物理学有良好的洞察力，他随手在信封背面写写算算，就能得出主要结论……狄拉克会尽善尽美地完成自己的工作，但那不是奥比的风格。”他的工作“又快速又粗糙，就像美国人制造机器的方式一样”。
1932年，奥本海默之前在英国剑桥的一位老师拉尔夫·福勒到伯克利访问，这让他有机会观察这位昔日的学生。到了晚间，奥本海默会说服福勒一连玩几个小时的挑圆片游戏，但是他把这个游戏改造得特别复杂。几个月后，当哈佛想要从伯克利挖走奥本海默的时候，福勒写道：“因为粗枝大叶，他的工作很容易出现各种错误，但是他的工作的原创性无人能及，并且他极大地推动了理论物理学的发展，这一点在去年秋天我已经深有体会。”
奥本海默没有耐心在一个问题上驻足太久，因此，经常是他先打开了发现的大门，而后来者取得了重大发现。1930年，他基于一些基本理论完成了一篇关于谱线无限性的著名论文。氢原子的谱线分裂表明，氢原子两种可能状态的能级略有不同。狄拉克认为氢的这两种状态应该具有完全相同的能量。奥本海默在论文中表述他不同意这一观点，但是他的结论仍需进一步验证。然而几年后，奥本海默的博士生之一、实验物理学家威利斯·尤金·兰姆解决了这个问题。所谓的“兰姆移位”准确地将两个能级之间的差异归因于自相互作用过程，即带电粒子与电磁场的相互作用。兰姆在1955年获得诺贝尔物理学
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