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周光召1929年5月15日生于长沙一个知识分子家庭。其父周凤九曾任湖南省公路局局长，被誉为湖南公路界的泰斗。他受父亲的影响，从小对自然科学产生兴趣。1937年抗日战争爆发后，其家迁移四川。1941年入南开中学住读，受到良好的数学训练和自学能力培养。1945年美国在日本投下两颗原子弹，耳闻目睹的事实，改变了他原来想学电机的初衷，对核武器产生了浓厚的兴趣。1946年考入清华大学先修班。一年以后以优异成绩转入清华大学物理系，有幸听到周培源、钱三强教授的授课。1951年考取本系研究生。1952年转入北京大学研究生院，师从彭桓武教授，从事基本粒子物理专业研究。1952年6月加入中国共产党。1954年理论物理专业研究生毕业，留校任物理系讲师。1957年选派赴莫斯科杜布纳联合原子核研究所，任中级研究员，从事高能物理、粒子物理理论研究，发表30多篇论文，两次受到研究所的奖励。1958年在国际上首先提出粒子的螺旋态振幅并建立了相应的数学方法。1959年苏联从中国撤走全部核专家，声言中国15年也休想搞出原子弹。他闻悉后十分激愤，召集在苏联的中国专家讨论没有外援的情况下搞原子弹的问题，并自告奋勇致信中国核工业部：“作为新中国成长起来的一代科学家，我们已经做好一切准备，承担祖国下达的这项光荣任务。”他开始潜心钻研流体力学和爆炸力学，为研究原子弹做准备。他严格证明了CP破坏的一个重要定理。1960年简明推导出赝矢量流部分守恒定理（PCAC），成为国际上公认的PCAC的奠基者之一。国际同行称赞他的研究工作“震动了杜布纳”。

1961年2月，他奉命回国，到北京大学任教，实际上任核工业部第九研究院理论部第一副主任，隐姓埋名近20年，专心致志研制原子弹和氢弹。参与领导了爆炸物理、辐射流力学、高温高压物理、计算力学等重大研究工作。他和彭桓武等科学家艰苦奋斗，精心设计，严密测算，独立自主完成了中国第一颗原子弹的理论设计方案，为1964年10月16日爆炸成功作出了突出贡献。他们又接受毛泽东主席、周恩来总理关于加快氢弹研制步伐的指示，白手起家，刻苦攻关。1967年6月17日中国第一颗氢弹试验成功。他在两弹理论设计定型及研究试验中的成就，获得1982年国家自然科学奖一等奖。

1992年他当选中国科学院学部主席团执行主席。他领导中国科学院实行改革，以解决科技与经济、科技与教育相脱节的问题，使原有封闭、不流动的科研体制转变为开放、流动、联合、竞争的新体制，坚持科学技术必须面向经济建设，经济建设必须依靠科学技术的办院方针，促进科研与生产的结合；实行“一院两制”，促进科技成果转化为生产力；倡导科学院与高校的结合，创造科研人才脱颖而出的激励机制和竞争机制；对探索科学技术本身的规律、科技体制改革和对外开放等，均有重要的理论贡献。国际科学界对他的科研成果和科技工作给予高度评价，被第三世界科学院、美国科学院、俄罗斯科学院、欧洲科学院等11个国家和地区科学院选为外籍院士，是中国科学家中当选为外国院士最多者。他发表了《极化核子反应的相对理论》《赝矢量流部分守恒》《静质量为零的极化核子的反应》等80多篇论文，在国内外产生了较大影响。

他是著名的理论物理学家、粒子物理学家，长期从事高能物理和核应用理论研究，在中国第一颗原子弹、第一颗氢弹和战略核武器的设计、研制和试验方面卓有成就，为中国核物理学研究和国防科技及科学事业发展作了重要贡献。1980年，他在国际粒子物理会议上第一次公开露面，钱三强向海内外科学家介绍说：“他是中国最杰出的物理学家之一。”诺贝尔奖金获得者李政道称赞说：“在我们同行中，他也是相当出色的。”1987年，他以“量子场论大范围性质的研究”项目，获中国科学院重大科技成果一等奖。1993年被意大利政府授予共和国爵士勋章。1994年被香港求是科技基金会授予中国杰出科学家奖。1996年经国际小行星命名委员会审议通过，将国际编号3462号小行星命名为“周光召星”。1999年9月18日中共中央、国务院授予他“两弹一星功勋奖章”。