海森堡的名字一直都和他的量子力学理论联系在一起,这一理论发表时他年仅23岁,他也因为提出这一理论及其应用(尤其是氢的自旋异构体发现),获得了1932年度的诺贝尔物理学奖(1933年颁发)。
海森堡提出的新理论,是完全基于对原子辐射的观察,他认为,在某一个给定的时间点,一个电子所处的位置是无法确定的,也无法跟踪它的轨迹,所以玻尔假定的电子轨道并不存在;诸如位置、速度等力学量,无法用通常的数字来描述,但可以用抽象的数学结构即矩阵来表达,海森堡用矩阵形式给出了他的新理论(矩阵力学)。
此后,海森堡又提出了著名的“不确定性原理”(又称“海森堡测不准原理”),在一个量子力学系统中,一个运动粒子的位置和它的动量不可被同时确定,位置的不确定性{\displaystyle \Delta x}\Delta x和动量的不确定性{\displaystyle \Delta p}\Delta p是不可避免的,它们的乘积不小于{\displaystyle h/4\pi }h/4\pi ({\displaystyle h}h为普朗克常数),这些误差对于人类来说虽然是微小的,但是在原子研究中并不能被忽略。
在莱比锡期间,海森堡为原子核物理学做出了重要贡献,为基本粒子理论引入了内部对称量子数(1932年,1933年),发展了一种铁磁性理论(1928年),和沃尔夫冈·泡利对量子场论进行了开创性研究工作。海森堡和约翰·惠勒同为S矩阵(1942年,1944年)之父,他很早就研究了量子场论的基本长度模型(1938年)。1940年代,他还研究了宇宙射线及其产生的离子碎片,导致不久后在英国发现了第一个介子。
1957年起,海森堡的研究兴趣转向了等离子体物理和高热原子核反应问题,并与日内瓦国际原子物理研究所紧密合作,他担任该研究所的科学政策委员会主席,并一直是该委员会的成员。在他于1953年成为洪堡基金会主席后,为基金会做了很多促进工作,他邀请各国科学家来德国,并协助他们在德国开展研究工作。
1953年起,他的理论工作偏向基本粒子的统一场论,这对于他来说,是理解基本粒子物理学的关键。
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