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诺伊斯早年对化学产生了兴趣，但贫穷使他只能等到获得奖学金之后才进入麻省理工学院深造。获得硕士学位之后，他选择了一条19世纪50年代美国许多有志于化学事业的学生所选择的道路，到德国跟随大师们学习。他本想当一名有机化学家，但是在莱比锡他被精力旺盛、具有超凡魅力的青年科学家奥斯特瓦尔德①深深吸引。
①奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald，1853—1932），德国化学家，因对催化作用、化学平衡及反应速度等方面的研究获1909年诺贝尔化学奖。在哲学上提出“唯能论‘”。
尽管只有35岁，奥斯特瓦尔德就以他的研究工作和远见卓识赢得了世界性的声誉。他外表温文尔雅，实际却精力过人，多才多艺（除了在实验室工作之外，他还会弹琴、谱曲，精通哲学），而且他具有远见。他竭力鼓吹所有的科学都是一体的，不同的学科之间可以取长补短。他特别希望“用物理的火炬照亮化学的暗室”。在他看来，物理比化学更为进步，更加精确，更富有理论性。化学家收集事实；物理学家解释事实。他与另外几位心心相印的学者共同建立了一门新的交叉学科，即后来的物理化学。这门学科借鉴了物理学的技巧和方法，把化学的研究重点从化学物质转向化学反应，从单纯地发现和整理化合物转向寻找决定化合物性质的一般规律。他在莱比锡的物理化学研究院中孕育了许多新的伟大思想——化学品如何在溶液中反应，电的作用，催化剂的功能。当诺伊斯跟随他学习时，奥斯特瓦尔德的远见卓识还没有收到相应的回报；他的实验室灯光昏暗，空气浑浊，操着不同语言的学生济济一堂。他获得诺贝尔奖还是二十年以后的事情。但是在19世纪80年代和90年代，这是一个激动人心的科学圣殿。聚集在此学习的学生又将奥斯特瓦尔德的思想传向世界各地。
在德国获得博士学位之后，诺伊斯回到麻省理工学院教书。他尊崇德国在科学界的无上地位（他的许多论文首先都是在德国的杂志上发表的，他相信只有这样才能获得国际社会应有的重视），同时希望在美国重塑一个奥斯特瓦尔德式的研究院。他要求麻省理工学院成立一个物理化学实验室，但是学校的财政无能为力。在美国化学史上令人感到幸运的是，诺伊斯在1898年同他人一起发现了一种很有价值的回收摄影业废料的工艺。当这一工艺商业化之后，每个月能够为他带来一千美元的收入——大约是他作为麻省理工学院专职教授收入的五倍。他无妻无子，无牵无挂，除了航海，没有别的奢侈和爱好，所以，他把这笔钱投资用于兴建梦想中的实验室。他与麻省理工学院达成一个协议，由他负担新实验室一半的费用。作为回报，他得到了很大程度的自主权，其中包括用人、调派研究生和制定研究重点的最终决定权。
1903年在后湾成立的麻省理工学院物理化学研究实验室带有一点德国式风格。像奥斯特瓦尔德创建的那种德国研究院之所似获得成功，原因是他们认识到了基础研究本身及其对教育过程的重要性。这些研究院的核心一般是一位声名卓著的学者，其名声可以吸引学生和资金。这种研究院在其母校校园之外的地方，往往有自己的图书馆、教室和实验室。脱离了学术压力和院系之争，学者们得以专心致志地进行独立的研究工作，并向优秀的学生介绍最新的发现。教学成了强化训练，多数采取小型研讨会的形式。学生和教师在一起评判最新的科研成果。当然，最重要的教育还是在实验室里完成的：研究生被要求在实验室中花大量的时间创造性地进行研究工作。今天，人们都会异口同声地说，高等教育必须和研究工作联系在一起，学生们必须通晓本学科最新的进展和方法，以便为未来的研究作好准备。不过，深受德国影响的诺伊斯是最早使这一观念成为现实的美国科学教育家之一。
尽管在形式上是照搬德国的做法，但诺伊斯很快就在实验室打上了自己的印记。对于他许多当年的想法，现在的人们早已习以为常了，但在近一个世纪之前，这些想法近乎于一场革命：他强凋思维的方式，而非思维的内容；他强调化学应当牢固建立在物理学和数学之上；他对学生满怀热忱（在某种意义上，学生就是他的家庭成员）；他创造了一种学生和教师可以不断进行交流的轻松气氛。许多比他晚一辈的物理化学家都记得乘坐诺伊斯的游艇“研究号”驶出波士顿港的情景。一路上，大家谈论着最新的化学理论，对他即兴吟诵的诗句报以阵阵的喝彩声。诺伊斯本人研究的功底很深，但他最大的贡献还在于改变了化学系学生教育的方式。鲍林回忆说，诺伊斯是一位“伟大的化学教师”。
“物理化学研究实验室在美国科学发展史上的重要性，是值得大书一笔的，”鲍林后来写道。物理化学的影响不断扩大，而诺伊斯实验室一马当先，就化学反应的机制和过程，在热力学和自由能等方面不断地作出了重要的发现。物理化学成功地建立起一整套基础理论，发现了化学的基本规律。诺贝尔奖开始垂青物理化学家；范托夫由于发现了化学力学定律和渗透压赢得了1901年的诺贝尔化学奖，阿雷尼乌斯由于建立了电解质的电离理论而获得1903年的诺贝尔化学奖，奥斯特瓦尔德本人也由于其在催化作用、化学平衡和反应速度上的杰出贡献而在1903年获得诺贝尔化学奖。金钱追逐着成功。在美国，卡内基基金会在第一次世界大战前给予化学的资助有85％授予了物理化学家，诺伊斯更是其中的佼佼者。麻省理工学院开始吸引来自世界各地的优秀教师和物理化学博士后学者——有些学者甚至破天荒地来自德国。诺伊斯实验室成为化学界的“卡米洛”①，他则当之无愧地被学生们称为“亚瑟王”。
①卡米洛（Camilot），传说中英国亚瑟王宫廷所在地，后来则用来比喻繁荣昌盛的乐园。
诺伊斯的物理化学实验室资金是自筹的，他又亲自负责实验室的日常管理，因此，实验室得以沿着一条不同于麻省理工学院注重应用教育的道路发展。当然，诺伊斯深信，他对应用培训所持的这种新态度对整个研究室都是有益的。在他担任麻省理工学院代理校长的两年时间里，如同他后来在一篇讲话中提到的，他曾试图说服工程师们，“工业研究并不是教育机构最主要的研究机遇……教育机构的主战场在纯科学领域——研究基本的原则和现象，而非急功近利的应用性推广。”麻省理工学院的工程师们却不以为然。他们发现诺伊斯的小王国从用于学校主要目的——工程教育——的资金中抽走了不少份额，而且使学生们在学习上变得三心二意了。
同时，研究实验室本身的成功也开始成为一种破坏性因素。其他学校急于模仿诺伊斯模式，明目张胆地挖他的教师和最好的研究生。最沉重的打击发生在1912年。伯克利分校——在动诺伊斯脑筋不成之后——向路易斯许诺，让他开设自己的化学课程，就此挖走了诺伊斯最得力的一位助手。路易斯为了让在加利福尼亚大学的化学系尽快上马，又带走了另一位诺伊斯最好的教授和一些优秀的研究生。实验室其他一些教授和学者也挡不住来自私有企业和财大气粗的其他学院的高薪聘请，纷纷跳槽。由于长期得不到足够的资助，麻省理工学院已经难以招架来自这些方面的竞争。
与伯克利分校向诺伊斯发出的聘书相比，他从前在麻省理工学院的学生海耳向他发出的邀请就显得滑稽可笑了。1913年，海耳请求诺伊斯放弃麻省理工学院的工作，到一所既无名气、又无资金的叫作斯洛普的学校去。海耳夸下海口说，将来可以得到所有他熟识的富人的支持。不过，到了1915年，诺伊斯越来越不满于麻省理工学院的工业化倾向，而海耳日渐兑现新建设施的保证也让他动心。他开始重新考虑海耳的邀请，并同意到斯洛普去看一看。海耳的承诺在1917年成为现实，他说服一个有钱的家族出资建造了盖茨化学实验室。那年冬天，诺伊斯在帕萨迪纳度过了三个月的时间。但是他还不能完全割断与东海岸的联系，那里有他的家人、他的游艇和他创建的实验室。
他最终是被踢出来的。麻省理工学院校方早已不满于诺伊斯实验室有那么大的自主权，现在，他每年长时间外出更使他们感到不悦。诺伊斯和工程师们