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到大一结束时，奥本海默认定他选择化学专业是个错误。他说：“我不记得我是怎么发现化学里那些让我着迷的东西其实和物理学联系紧密。比如学物理化学的时候，一遇到热力学和统计力学的概念，你就想弄明白它们，这就很能说明问题了……这也太让人意外了。我从没上过一节物理学的基础课程。”尽管他仍在继续攻读化学专业，那年春天他还是向物理系申请读研究生，以便有机会参加高阶物理课程。为了证明自己懂物理，他列举了15本他自称读过的书。多年后，他听说教师委员会审议他的申请时，乔治·华盛顿·皮尔斯教授曾打趣说：“毫无疑问，如果他（奥本海默）说自己读过这些书，那他就是个骗子，不过，就凭他知道这些书名，他就可以获得博士学位。”
奥本海默最初的物理学导师是后来的诺贝尔物理学奖得主珀西·布里奇曼（1882—1961）。“我发现布里奇曼是一位了不起的老师，”奥本海默回忆说，“因为他从不拘泥于事物现有的样子，他总是刨根问底。”布里奇曼后来这样评价奥本海默：“一位非常聪明的学生，他知识丰富，所以才懂得如何提问。”但是，当布里奇曼分配给奥本海默一个实验任务，让他在自制的熔炉中制造铜镍合金时，奥本海默“就连烙铁的两头都分不清楚”。奥本海默在使用实验室的电流计时总是笨手笨脚的，以至于每次他用完后，仪器上精密的悬架都需要更换。尽管如此，奥本海默依然没有放弃，后来布里奇曼发现他的实验结果有一定价值，并将其发表在了一本科学期刊上。奥本海默固然早慧，但他有时又自以为是得令人恼火。一天晚上，布里奇曼邀请他到家里喝茶，这位教授向他的学生展示了一座神殿的照片，他说这座神殿建于公元前400年左右，位于西西里岛的塞杰斯塔。奥本海默马上反驳道：“我从柱子的柱头判断，它的建造时间大概还要早50年。”
1923年10月，著名的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在哈佛大学做了两场讲座，奥本海默场场必到。玻尔因“对原子的结构和原子的辐射的研究”在1922年获得了诺贝尔物理学奖。奥本海默后来说：“我对玻尔的崇拜之情无以言表。”即便这是他第一次见到玻尔本人，他也已经被深深打动。后来，布里奇曼教授曾提到：“他（玻尔）给每一个见过他的人都留下了非常友善的印象。我从未遇到过这样一心一意追求理想、胸怀坦荡的人……他现在在几乎整个欧洲都被奉为科学之神。”
奥本海默学习物理的方法可谓不拘一格，甚至可以说是杂乱无章。他专注于该领域中最有趣、最抽象的问题，而忽略了枯燥的基础知识。多年后，他承认他对自己知识的漏洞感到不安。1963年，他对一位采访者说：“直到今天，我一想到烟圈效应或弹性振动就会恐慌。我对这些一无所知，不过是虚有其表罢了。与此类似，即使在那个时候，我掌握的数学知识仍非常浅显……我上了李特尔伍德的数论课，嗯，虽然很有收获，但如果要从事物理学专业，这样学习数学显然远远不够。”
当英国数学家、哲学家阿尔弗雷德·诺尔司·怀特海来哈佛的时候，只有奥本海默和另外一位本科生有勇气报名参加他的课程，他们刻苦地读完了怀特海和伯特兰·罗素合著的三卷本《数学原理》。奥本海默回忆说：“我度过了一段非常激动人心的时光，和怀特海一起读《数学原理》，因为他已经忘记书中的内容，所以他既是老师又是学生。”尽管有这样的经历，奥本海默仍一直认为他在数学方面有所欠缺。“我没有很深入地学习过。大概我学很多东西都是通过一种并不为人认可的方式，那就是与人交流……我本该多学点儿数学。我想我应该会乐在其中，不过我对它漫不经心还因为我缺乏耐心。”
如果他之前的教育中真有什么不足之处，那么正如他向自己的朋友保罗·霍根承认的那样，哈佛的学习生活让他受益匪浅。1923年秋，奥本海默给霍根写了一封充满自嘲的信，他在信中用第三人称描述自己：“（奥本海默）现在已经成为一个了不起的人，你都不知道哈佛如何改变了他。我担心这样努力的学习对他的灵魂没有好处。他说的一些话可真叫人害怕。那天晚上我和他争论的时候，我说：‘但你还是相信上帝，对吧？’他说：‘我相信热力学第二定律、哈密顿原理、伯特兰·罗素，还有，你信吗？我还相信那个弗洛伊德。’”
霍根认为奥本海默充满魅力，令人着迷。霍根本人就是一个才华横溢的年轻人，其一生创作了17部小说和20部历史作品，两度荣获普利策奖，但他始终认为奥本海默是一位世间罕有、不可估量的博学之才。“虽然达·芬奇和奥本海默这样的人世间罕有，”霍根在1988年写道，“但是，作为独具品位的鉴赏家和历史上的成功者，他们身上体现出的了不起的爱和理解力至少可以作为我们参考和比照的理想。”
在哈佛求学期间，奥本海默一直与赫伯特·史密斯有书信往来，史密斯是他在伦理文化学校的老师，也是新墨西哥州之行的向导。1923年冬，在给史密斯的信中，奥本海默颇费心思地用讽刺的口吻介绍了他在哈佛的生活：“劳您费心
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