1941年，程开甲毕业留浙江大学物理系任助教。程开甲边工作边坚持学习研究，并开始钻研相对论和基本粒子。受束星北相对论的启发完成并发表了“用等价原理计算水星近日点移动”。程开甲在量子力学和相对论的基础上用正则运动方程导出物理学权威狄拉克提出的狄拉克方程，完成“对自由粒子的狄拉克方程推导”，这一成果由狄拉克推荐发表于剑桥大学的《剑桥哲学杂志》。

1944年，程开甲完成了题为《弱相互作用需要205个质子质量的介子》的论文，英国学者李约瑟亲自对其修改送狄拉克，狄拉克“目前基本粒子太多，不再需要更多的新粒子，更不需要重介子”的回信使文章终未发表，这也成为一件憾事，因为以后外国人一个重要实验获得了1979年度糯呗儿奖，其测得的新粒子质量与程开甲当年的计算值基本一致。程开甲还和王淦昌合作研究，撰写了五维场的论文。1945年，在李约瑟先生的推荐下，程开甲获得英国文化委员会的奖学金。

在原子弹作用机制的研究中，程开甲分管状态方程理论研究和爆轰物理研究两大块工作。程开甲通过对高压状态方程和化爆试验的研究，在国内第一个计算出原子弹爆炸时弹心的温度和压力，为核武器爆炸威力的设计提供重要依据；在原子弹内爆机理研究中，程开甲解决了原子弹研制中关键问题之一的起爆冲击聚焦设计，为弹体结构设计与加工精密度提供依据。程开甲在原子弹研制的开拓性研究中做出了贡献。

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