Fachliche Leistung

Heisenberg war wesentlich an der Grundlegung der Quantenmechanik sowie ihrer Erweiterung zur Quantenfeldtheorie beteiligt. Er entwickelte eine Theorie der Struktur der Atomkerne und suchte nach einer einheitlichen Feldtheorie der Elementarteilchen.

Nachdem offenkundig geworden war, dass das Bohrsche Atommodell trotz großer Erfolge nicht richtig sein konnte, bemühte sich Heisenberg um den "Übergang von der nur symbolisch brauchbaren und daher nur qualitativ richtigen Modellmechanik ... zur wirklichen Quantenmechanik". Ende Mai 1925 nahmen seine Gedanken über die Quantenmechanik greifbare Gestalt an, und er verfasste die entscheidende Arbeit "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen". Hier formulierte er sein berühmt gewordenes positivistisches Prinzip, dass zur Beschreibung physikalischer Sachverhalte nur "prinzipiell beobachtbare" Größen herangezogen werden dürften und dass deshalb in der neuen Atomphysik für bisher gebrauchte Begriffe wie "Bahn des Elektrons im Atom" oder "Umlaufzeit des Elektrons" kein Platz mehr sei.

Gleichzeitig lieferte Heisenberg in seinen "Multiplikationsregeln für quadratische Schemata" den langgesuchten Ansatz für die neue Quantenmechanik, die nun von Max Born unter der Mitwirkung von Pascual Jordan als 'Göttinger Matrizenmechanik' aufgebaut werden konnte. Dabei wurden experimentell beobachtbare Phänomene mit Hilfe der Matrizenrechnung der Mathematik dargestellt.
In enger Zusammenarbeit mit Niels Bohr in Kopenhagen gelang es Heisenberg, den tieferen physikalischen - und philosophischen - Hintergrund des neuen Formalismus zu zeigen. Die Heisenbergsche Unschärferelation von 1927 wurde die Grundlage der "Kopenhagener Deutung der Quantentheorie", die auf Heisenbergs und Bohrs gemeinsame Auffassungen zurückgeht und eine ganz neuartige Auffassung der physikalischen Realität enthält. Entgegen den Annahmen der klassischen Physik sind Ort und Impuls eines Mikroteilchens niemals gleichzeitig absolut genau bestimmbar: je genauer die Messung der Ortskoordinate eines Teilchens, um so unschärfer die Bestimmung der Impulskomponente und umgekehrt.

Heisenbergs Arbeiten zur Quantenmechanik wurden durch die Verleihung des Nobelpreises für Physik 1932 ausgezeichnet. Da nun das Problem des Atombaues - was die Atomhülle betraf - erfolgreich gelöst worden war, widmete sich Heisenberg den Fragen des Atomkerns. Nach der Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick 1932 erkannte Heisenberg (und unabhängig von ihm D. D. Iwanenkow), dass dieses neue Teilchen neben dem Proton als Baustein des Atomkerns zu betrachten ist, und entwickelte auf dieser Grundlage eine Theorie über den Aufbau der Atomkerne.

1940 konzipierte Heisenberg in zwei aus Gründen der Geheimhaltung unveröffentlichten Arbeiten die Theorie des Kernreaktors, wobei er insbesondere die Resonanzabsorption von Neutronen im Uran-Isotop U238 erörterte. Er war seit etwa 1953 intensiv bemüht, eine "Einheitliche Theorie der Elementarteilchen" aufzustellen. Heisenberg argumentierte, dass alle Elementarteilchen aus derselben Substanz gemacht sein müssen, weil sie sich wechselseitig ineinander umwandeln; diese Substanz könnte man dann Energie oder Materie nennen. Mit seiner 1958 vorgelegten "Weltformel", die alle Grundgesetze der Natur erfassen sollte, wollte er der Einheit der Physik eine neue Qualität geben. Seine Versuche, die verschiedenen Kräfte der Physik zu einem Urfeld zu vereinigen, sind jedoch gescheitert.