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1927年夏天，赵忠尧已经等不及公费名额，他决定，自费去美国留学！向老师和朋友借了一些钱，又申请了清华的半费补助金，只带了简单的生活用品，他就远赴重洋，去了加州理工学院攻读博士学位，师从刚刚获得诺贝尔物理学奖的密立根教授！
让密立根教授极为恼火的是，这个新来的中国学生不知天高地厚，竟然嫌课题太一般。赵忠尧认为这个题目虽然容易获得学位，却学不到多少技术，这与他出国深造的初衷相违背，因此他要求密立根教授换一个课题。在那个教授具有莫大权威的时代，做出这一举动需要相当的勇气。
过了一段时间后，密立根重新给了赵忠尧一个题目，(硬伽马射线通过物质时的吸收系数)当时，无论是密立根，还是赵忠尧，他们都没有意识到，这个题目会把赵忠尧推到一个物理科学伟大发现的门口！
1930年，赵忠尧完成实验，他的结论震惊了当时的物理界，28岁的赵忠尧在人类历史上，第一次观测到正电子，后来的实验更让他成为世界上首次发现反物质的物理学家。这个发现足以使赵忠尧获得诺贝尔奖！
然而，令人失望的是，1936年诺贝尔物理学奖却颁发给了比赵忠尧晚了两年才发现正电子径迹的安德逊。
