初识
40年代，李政道被选中去美国学习造原子弹，于1946年来到美国。但由于美国并不开放原子弹制造技术，据指示他们可以用领取到的经费在美国深造。于是李政道就去芝加哥大学师从费米学起了理论物理。那时杨振宁在芝加哥大学当助教，这是李杨的初次谋。同时杨振宁也是西南联大校友，但比李政道高两个年级。同在一所学校，交往自然开始。二人开始联名发表论文，在生活上也成了亲密的朋友。
合作
博士毕业后，1950年，李政道到伯克利加州大学工作，担任物理系助教。当时，朝鲜战争爆发，加州地方反华气焰嚣张，因而李政道在加州并不愉快。
此前，1949年秋，杨振宁来到了普林斯顿高等研究院做访问成员。他知道李政道在加州的情况，两人商量，李政道也来普林斯顿，可以一起作研究。杨振宁去找了院长奥本海默(美国“原子弹之父”)，请他给李政道发出邀请信。于是，1951年9月，李政道偕夫人来到普林斯顿高等研究院。
李杨两家比邻而居，两家人来往密切。杨振宁正在进行两维伊辛模型的磁化计算研究，他希望李政道加入。
1951年秋，他们写了两篇统计力学论文，首次给出了不同热力学函数的严格定义。两位年轻中国学者的论文引起了物理学家爱因斯坦的重视。1952年的一天，二人还曾受邀与爱因斯坦见面。两位年轻人在普林斯顿的合作及其卓越成果，一时传为佳话。奥本海默曾说，李政道和杨振宁坐在普林斯顿高等研究院草地上讨论问题，是一道令人赏心悦目的景致。
第一次分手
李政道在普林斯顿工作，既有成就又很愉快。但此时纠纷却发生了，由头是他们合写的两篇论文的署名次序问题。
这两篇论文的总标题是《状态方程和相变的统计理论》，第一篇《凝聚理论》署名是杨振宁和李政道，第二篇《格气和伊辛模型》署名是李政道和杨振宁。
署名问题给二人带来裂隙，李政道决定不再和杨振宁合作。之后，虽然他在普林斯顿又工作了一年半时间，但是他们没有再合著论文。
论文署名的事情使李政道耿耿于心。那时，他并不知道杨振宁的夫人杜致礼也参与其间，此事是据杨振宁后来回忆说。李政道决定离开普林斯顿，去哥伦比亚大学担任助理教授。三年后，1956年，他29岁时，成为哥伦比亚大学有史以来最年轻的教授。
共获诺贝尔奖
1953年，杨振宁曾去布鲁克黑文国家实验室工作一年，和米尔斯合作发表了一篇论文《同位旋守恒和同位旋规范不变性》，其中提出了后来十分有名的杨－米尔斯规范场方程。但是，当时李政道对这篇论文的出发点是否正确持严重怀疑。一次，杨振宁到哥伦比亚大学来看李政道，李把他的看法告诉了杨。经过激烈的讨论，杨同意了李的意见，还共同署名，李前杨后，发表了论文《重粒子守恒和普适规范转换》。
这件事使他们重拾合作，这也是他们物理生涯中富有浪漫和神奇色彩的一段。从1956年到1962年，杨李共同写了32篇论文，范围从粒子物理到统计力学⋯⋯合作紧密而富有成果，有竞争也有协调。
宇称不守恒的发现，被誉为20世纪物理学中的革命。根据《李政道传》所写，这一发现是由李政道先找到突破口的，但杨振宁的版本与李政道截然不同。
1956年大约是4月底和5月初的一天上午，杨振宁开车从长岛来纽约哥伦比亚大学看李政道，在李的办公室里进行了讨论。提出了宇称不守恒，他们在大约两周内完成了全部的β衰变分析。这需要进行大量计算，一个月后他们完成了对这些过程的分析，写出了论文。这篇论文是由李政道执笔，署名也是李政道在前。这就是轰动一时后来获得1957年诺贝尔奖的那篇论文。
决裂
1957年10月，瑞典皇家科学院宣布，把当年的物理奖授予李政道和杨振宁。
11月，李政道要为去斯德哥尔摩领奖做准备。他们都要写发言稿和讲演稿。那时，在诺贝尔奖委员会通知以及所有媒体的报道中，两个名字的次序都与获奖论文的署名一样，李政道在先，杨振宁在后。
当他们到了斯德哥尔摩，杨振宁忽然提出，授奖时他希望能按年龄顺序在李政道之前受奖，而他夫人杜致礼则想在出席晚宴时让国王作陪，也就是说，在进入晚宴会场时她要走在最前面，杨振宁次之排在第二名，由皇后作陪。
李政道对此大为惊讶，不同意这么做。但是，杨振宁又去求李政道夫人秦惠。秦惠对李政道说，假如为这件事闹出笑话，让外国人看不起，太丢脸。这样李才勉强地同意。
不久后的一篇文章却让他们走向分裂---1962年5月12日出版的美国《纽约客》杂志上刊登了伯恩斯坦写的《宇称问题侧记》，记述李杨合作发现宇称不守恒的故事。
当时，李政道已经回到普林斯顿高等研究院。四月他收到伯恩斯坦文章的校样，没作什么修改。可是杨振宁却提出了许多意见。杨振宁提出，文章中的某些地方，他希望名字写在李政道之前，另外，他夫人杜致礼的名字也要放在秦惠之前，因为杜致礼年长一岁。第二天，杨振宁到李政道家里提出，凡是文章里提到“李和杨写了⋯⋯”的地方都要加一个注，说明是出于字母排序的习惯。
对杨振宁的这些要求，李政道觉得太无聊。当天晚上，杨又打来电话，说那些注或许可以不加，但文章里都要写成“杨和李”。
李政道感到失望，只好建议他们今后不再合作。当年11月，李政道向奥本海默递交了辞职书。奥本海默对此感到非常遗憾，他尖锐地说，李政道应该不要再做高能物理，而杨振宁应该去看看精神医生。
无解的谜局
李杨之间的恩怨，其影响远远超出了个人范畴，延伸到了日后中国基础学科的发展。
1972年，杨振宁和李政道先后回国访问，深刻地影响了中国的科学事业。季承写道， 围绕着高能物理的发展，过去在中国素来就有不同的意见。但是，自从李杨这两位华裔诺贝尔奖得主自天外归来、陆续回国访问并介入其间，这一分歧就带有了浓厚的个人意气的色彩，成了李杨不和的易地之战。
例子很多：李政道主张建高能加速器，杨振宁反对；李政道主张重视基础科学，杨振宁力主搞应用科学；李政道创立特殊的考试办法帮助中国学子赴美留学，杨振宁就说是“丧权辱国”，等等。
“他们之间的分歧，已经是一个科学史的问题了。其是非曲直，应该由历史来判断，应该由科学史家来研究。至于结论，这恐怕是没有人，没有什么机构，可以做出的。”季承说。
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