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马斯克在女王大学感到很无聊。学校很美，但在学术上对他没有挑战性。所以当他有同学转学到宾夕法尼亚大学时，他想看看自己是不是也可以这样做。
不过学费是个问题。父亲没有提供任何支持，母亲则要做三份工作来维持生计。好在宾夕法尼亚大学为他提供了14 000美元的奖学金和一揽子学生贷款，所以他在1992年成功地转到那里开始读大三。
马斯克决定主修物理学，因为和父亲一样，他也对工程问题感兴趣。他认为作为工程师，核心就是要通过钻研物理学最基本的原理来解决一切问题。他还决定读一个商科的双学位。“我担心如果我不学习商科，我就得给那些学了商科的人打工，”他说，“我的目标是凭借我对物理学的直觉来设计产品，而不是为一个有商科背景的老板工作。”
尽管马斯克既不懂政治也不善于交际，但他还是参加了学生会竞选。他的竞选口号之一就是鄙视那些为了给简历添上一笔才来竞选的学生，其竞选纲领的最后承诺是“如果有朝一日学生会这个岗位信息出现在我的简历上，我就在公共场合倒立，把50份简历吞进肚子里”。所幸他输了，他也就不用当什么学生官僚，本来他的性格也不适合这类职务。不过他自在地融入了极客圈子，这些人喜欢开聪明的玩笑，拿科学的力量作梗，玩《龙与地下城》，沉迷于电子游戏，热爱编程。
在这群人里，他最亲密的朋友是任宇翔。在来到宾夕法尼亚大学之前，任宇翔曾代表中国队赢得第22届国际物理奥林匹克竞赛金牌。马斯克说：“任是唯一在物理学方面比我还强的人。”他们成了物理实验室里的搭档，一起做过一些实验，比如两个金属球悬挂在细线上，测量它们之间的引力。他们还研究了各种材料在极端温度下的变化。在一组实验结束时，马斯克从铅笔的末端取下橡皮，把它扔进超低温液体罐中，然后把橡皮砸在地上。他对了解并观察各种材料和合金在不同温度下的特性产生了兴趣。
任宇翔回忆说，马斯克关注的三个领域后来塑造了他的职业生涯。无论是校准引力数值还是分析材料在极端温度下的特性，他们都会讨论物理定律如何应用于制造火箭。“他一直念叨要做一枚可以飞去火星的火箭，”任宇翔回忆说，“当然，我没有太放在心上，因为我觉得这只是个幻想。”
马斯克还十分关注电动车。有时候，他和任宇翔会从餐车上端走午饭，坐在校园的草坪上吃，马斯克会翻阅关于电池的学术论文。加州当时刚刚通过一项规定——2003年10%的车辆必须是电动车。马斯克说：“我想实现这一目标。”
马斯克还渐渐开始相信，1994年刚刚起步的太阳能是实现可持续能源愿景的最佳途径。他毕业论文的题目是“打造太阳能社会的重要性”（The Importance of Being Solar）。触动他的不仅是气候变化的风险，还有化石燃料储量的减少。他写道：“人类社会很快就将别无选择，只能专注于可再生能源。”论文的最后一页展示了一个“未来的发电站”，其中包括一颗带有镜子的卫星，它能将阳光集中到太阳能电池板上，并通过微波束将产生的电力送回地球。教授给了他98分的高分，说这篇论文“非常有趣，写得很好，除了最后一张图太突兀，有点儿莫名其妙”。