1939年9月，晉察冀軍區除奸部懷疑熊大縝等知識分子是天津國民黨特務機關——“天津黨政軍聯絡辦事處”（南按：據黨史資料顯示，該辦事處是抗戰初期，根據中共的指示，由國共兩黨共同商定建立的統一戰線的秘密組織）派到冀中軍區的C.C.特務、漢奸。在未經過晉察冀軍區司令員聶榮臻批準的情況下，就通過冀中軍區鋤奸部擅自將熊大縝及180餘名來自清華及全國其他高校的青年知識分子秘密逮捕。這批人“有押入邊區政府者，有押送延安受訓者”。被押解者全部手銬腳鐐，遭到刑訊逼供、殘酷折磨。呂正操雖是冀中軍區司令員，但他原是張學良的副官，剛加入共產黨不久，對於上級派來的鋤奸部所做的一切事情無權過問，因而眼看著熊大縝等青年知識分子落入虎口卻無力施救。
在熊大縝等“技術社”人員關押、審訊期間，由於沒有科技人才製造武器彈藥用於抗戰中的消耗補給，導致冀中軍區官兵在一個時期內隻能手拿空槍，用秸稈塞在彈袋裏假裝子彈與敵人作戰、周旋，緊急時候隻能用拚刺刀的方式與敵人肉搏，死傷慘重。當這一悲劇性的秘密被敵人知曉後，中方官兵連徒手的漢奸都難以嚇住，結果引來了敵偽軍的猖狂進攻和掃蕩，冀中平原抗日根據地受到未曾有過的重創，基本上土崩瓦解。
而在這個曆史時刻，葉企孫已離開天津抵達昆明，並在西南聯大開始了教學、研究生涯。時在重慶的朱家驊通過天津“黨政軍聯絡辦事處”得知這一消息，立即給昆明的葉企孫拍發電報，謂熊“生死莫卜”。葉接電後速給朱回電，請朱設法予以營救。與此同時，葉還通過與中共友善的陶孟和，請其設法向重慶八路軍辦事處周恩來反映情況，幫助營救。就在各方緊密聯絡與想方設法之際，日軍趁呂正操部武器彈藥供給不足的劣勢，展開對冀中抗日根據地大規模掃蕩，呂部力不能敵，被迫進行戰略轉移。當時熊大縝由冀中軍區鋤奸部看押，在轉移途中，為防熊大縝逃跑，鋤奸部一負責看押的頭目親自找來一塊石頭，將其引入一塊高粱地，從背後猛擊頭部數下。熊當場鮮血噴濺，腦漿迸出，倒地斃命，鋤奸部人員棄屍而去。據說，那個親手砸死熊大縝的人，新中國成立後為某省的主要領導者之一，一直活到20世紀80年代末。
1940年1月23日，朱家驊在接到天津市執行委員許惠東對熊大縝等人被捕事件的方式報告後，以中國國民黨中央執行委員會組織部的名義致函國民政府行政院，提出了解決意見。當時朱尚不知熊已被押解人員用石頭砸死，函文稱：“其中張方（南按：燕大化學係畢業生，由熊引薦到冀中軍區技術研究社製造炸藥、雷管等）受刑最慘，兩手四肢全斷；其次為熊君及李琳，殊乘聽聞。查熊君純係熱誠愛國抗日青年，其一切均為惠所深知。若誣為漢奸，實為不倫。務祈嚴飭邊區政府，迅即釋放，並嚴予製止，嗣後不再發生此類事件等事情。”此函由行政院轉報蔣介石，根據蔣的指示，“轉電朱彭兩總副司令查明、釋放”。[37]在國民黨政府的壓力和中共高層指示下，“四肢全斷”的張方等人得以釋放，僥幸撿了一條性命，而熊大縝卻未等到這一天即命赴黃泉，淪為冤死之鬼。
離奇的C.C.特務案
新中國成立後，葉企孫一直為熊大縝冤案奔走呼號，尋找為其平反昭雪的機會。想不到沉冤未雪，自己又遭禍端。“文革”爆發後的1967年11月，葉企孫因為熊大縝案牽連，作為“曆史反革命分子”被揪出，成了人民的敵人。在一連串的抄家、揪鬥、關押，站“鬥鬼台”、送“黑幫勞改隊”改造，以及無休止的交代“曆史問題”等淩辱折磨下，葉企孫一度神經錯亂，進入了陳寅恪《南飛》詩所言“眾生顛倒誠何說，殘命維持轉自疑”的悲慘境地。
據葉企孫的侄子、核物理學家葉銘漢受株連後被迫寫下的一份“揭發材料”說：“新北大公社的大字報說，校文革和新北大公社早就掌握了葉的材料，並曾上報中央文革，因案情嚴重，牽涉到很多人，所以沒有公布……今年2月初，有一次葉忽然說，‘井岡山’開辦學習班，要他和崔雄昆去，他未去。因此‘井岡山’電台天天點名批判他。以後葉每次來我家都說一件事，並說他到王府井去，也可以聽到‘井岡山’的廣播。還說有一種小聲的特殊廣播，是專門為他的。有時‘井岡山’和‘新北大’兩個電台為他的問題而辯論。[38]一開始我覺得葉所說的內容不合情理，後來逐漸愈來愈感到他的神經不正常。到3月中，我為了證實他所說的是錯誤的，特地去找過周培源，問他井岡山有沒有這種廣播，周聽罷來意，說沒有這種廣播。[39]我向周說：‘看來葉是神經失常了，能否請你做些思想工作，跟他說井岡山電台根本沒有這種廣播，是他自己神經錯亂了，是幻覺。’周說：‘你跟他說說就行了。’”葉銘漢又說：“3月中，葉說他一舉一動‘井岡山’都有反映（應），他喝一口茶，電台就說他喝茶不對。他走出門，電台就叫他馬上回去等等。葉說，‘井岡山’一定有一套類似雷達偵察係統，可以看見他的一切行動。我跟葉講，你是學物理的，你知道電波透不過牆，根本沒有這種事，是幻覺。葉根本不相信我的話。葉說你到我家來聽聽就知道了。葉還說，說不定現在就有這種雷達。我為了打破葉的幻覺，曾在3月下旬到葉家去了一次，葉說：‘你注意聽，我現在喝一口茶，等一會馬上就會有廣播。’等了一會，我說，根本沒有。葉說：‘有，是你的耳朵聾，因此聽不見。’……過了幾天，老周（南按：葉雇的工友）來找我，說他覺得葉的神經有毛病了。周說葉這幾天常說，電台廣播要他去中南海開會。有一天，葉忽然穿好衣服要出去，說廣播說在車庫上車。出去過了一會葉又回來，說廣播不讓他去。”[40]後經葉銘漢送葉企孫到北醫三院神經科檢查，診斷為“幻覺症”，因葉是“反革命分子”，醫院給了幾片藥打發回家了事。葉的病情越發嚴重，幾次半夜穿衣欲去中南海開會，結果是中南海未能成行，卻一腳踏進了地獄之門。