主要从事原子核物理、高能实验物理、生物物理学、医学物理学、核医学、脑科学等方面研究
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20世纪60年代，唐孝威参加中国原子弹、氢弹的研究、试验，在中子点火实验和核试验物理诊断等方面作出贡献。20世纪70年代中进行中国卫星舱内空间辐射剂量的测量。20世纪70年代末率领中国实验组到德国汉堡电子同步加速器中心进行高能实验，参加的马克杰国际合作组在实验中发现胶子。20世纪80年代初领导中国科学院高能物理研究所实验组参加L3实验及AMS实验等国际科技合作，在实验证实自然界存在三代中微子以及实验测定中间玻色子特性等方面作出贡献。20世纪90年代起和中国神经科学家一起推动和组织脑功能成像实验和神经信息学研究，并在生物物理学、医学物理学、核医学、脑科学等交叉学科研究领域工作。2000年，推动和组织中国“人类脑计划”和神经信息学的工作，并在2001年10月代表中国参加全球“人类脑计划”研究。
