По воспоминаниям Гейзенберга, их совместные исследования и беседы с Бором длились до поздней ночи. Ученые провели опыты по дифракции электронов, которые подтвердили наличие корпускулярно-волнового механизма. После напряженных исследований ученым удалось совершить великие открытия – были получены соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора.

В 1927 году Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую работу «Über den anschaulichen Inhalt der quanten theoretischen Kinematik und Mechanik», в которой сформулировал «принцип неопределенности». Он стал одним из общих фундаментальных принципов квантовой механики.

Проанализировав процессы измерения координат и импульсов, ученый пришел к выводу, что измерение координаты обязательно влияет на импульс частицы, причем влияние измерения не влияет существенно на импульс. Соотношения Гейзенберга стали пределом точности для идеальных измерений (фон Неймана) и неидеальных измерений (Ландау).

По Гейзенбергу, частица, имеющая дискретный электрический заряд, ни в коем случае не может быть описана одновременно как волна и как точечная частица. Например, чем точнее выявлена позиция электрона в пространстве, тем более неопределенной становится его скорость. Чем точнее определяется частота звукового сигнала, тем сильнее теряется точность определения времени. Согласно «копенгагенской интерпретации», чем точнее исследователь определит координату частицы, тем менее точно будет известен ее импульс и т. д. Принцип неопределенности Гейзенберг применил к каждой паре сопряженных переменных.

Если провести исследования в нескольких идентичных копиях системы в данном состоянии, то полученные значения будут зависеть от определенного «распределения вероятности» – фундаментального понятия квантовой теории.

Большое значение в теории Гейзенберга имеет постоянная Планка, которая входит во многие уравнения, вытекающие из принципа неопределенности Гейзенберга. Например, при измерении величины стандартного отклонения произведение погрешностей измерений двух величин не может быть меньше постоянной Планка. В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределенности по той причине, что значение постоянной Планка очень мало, но на атомном уровне принцип неопределенности очень важен.

Свой принцип Гейзенберг вывел как результат умножения матриц. Каждой физической величине соответствовал некий оператор, а операторы Гейзенберг представлял в виде бесконечных матриц.

Из теории Гейзенберга был выведен принцип дополнительности. Гейзенберг вместе с Бором произвели квантовомеханический расчет атома гелия и показали возможность существования его в двух различных состояниях (орто– и пара-). Также Гейзенберг произвел количественное объяснение спектра водорода.

Теория Гейзенберга оказалась трудна для понимания, и не все великие ученые ее приняли.

Например, Бору и Гейзенбергу бросил вызов Альберт Эйнштейн. Он предложил теоретический эксперимент, в котором представил коробку с радиоактивным материалом, испускающим радиацию случайным образом. У коробки имеется специальный затвор, который сразу после заполнения коробки закрывается с помощью часов в определенный момент времени, позволяя уйти небольшому количеству радиации.

Эйнштейн полагал, что несмотря на то, что время точно известно, можно точно измерить и сопряженную переменную – количество энергии. Для этого достаточно провести взвешивание коробки до и после эксперимента, и соответствие между массой и энергией, согласно его теории относительности, позволит точно определить, сколько энергии осталось в коробке.

Однако великий Бор опроверг умозаключения не менее великого Эйнштейна. Согласно Бору, если энергия уйдет, тогда коробка станет легче и немного сдвинется на весах. В результате этого изменится положение часов, они отклонятся от неподвижной системы отсчета, и измерения времени будут отличаться. Соотношение Гейзенберга позволит получить правильные результаты.

Осенью 1927 года Вернера Гейзенберга пригласили занять должность профессора теоретической физики Лейпцигского университета. Ученый стал самым молодым профессором в истории Германии. В Лейпциге он проработал до 1941 года.

Изобретение Гейзенбергом принципа неопределенности и его запоминающееся название породило ряд анекдотов и смешных историй. Поговаривают, что на стенах физических факультетов ряда немецких университетов пестрела популярная в те времена надпись: «Здесь, возможно, был Гейзенберг».

Благодаря своим работам в области квантовой теории ученый получил мировую популярность. Его приглашали читать лекции различные университеты. Однако, будучи и на пике популярности, Гейзенберг не бросил свою исследовательскую деятельность.

В 1928 году совместно с Дираком Вернер Гейзенберг выдвинул идею квантового обменного взаимодействия, независимо и одновременно с Я. И. Френкелем разработал квантовомеханическую теорию спонтанной намагниченности ферромагнетиков, основанную на обменном взаимодействии электронов.

В 1929 году вместе с Вольфгангом Паули опубликовал важные работы в области квантовой электродинамики, ввел схему квантования полей, в том числе и электромагнитного поля.

Во время совместного с Дираком кругосветного путешествия в 1929 году Гейзенберг побывал в Японии, в Сибири, прочел в Чикагском университете курс лекций по «копенгагенской доктрине».

После открытия в 1932 году Джеймсом Чедвиком нейтрона Гейзенберг высказал предположение, что атомные ядра состоят из нейтронов и протонов, удерживаемых силами ядерного обменного взаимодействия. Также Гейзенберг ввел понятие изотопического спина.

В 1933 году Вернер Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике за 1932 год. Премия великому ученому была вручена «за создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода».

В 1941 году Гейзенберг был назначен директором института физики кайзера Вильгельма и профессором физики Берлинского университета. Хотя большинство ученых, спасаясь от фашистов, покинули Германию, Гейзенберг решил продолжить свою работу и отверг многочисленные предложения друзей эмигрировать из Германии.

Во время нацизма так называемые «арийские физики» называли Гейзенберга за его работы «белым евреем».

Вернера Гейзенберга, Отто Ганна, Карла Вайцзеккера и других физиков призвали в армейское оружейное ведомство Третьего рейха и поставили им конкретную задачу – создать для Германии атомную бомбу. Гейзенберг возглавил германский проект по атомным исследованиям.

В 1941 году Гейзенберг и Вайцзеккер поехали в Копенгаген, где пытались уговорить Нильса Бора помочь в создании немецкой атомной бомбы, но гениальный физик отверг их предложение.

Во время войны союзники не знали, как далеко продвинулись Гейзенберг и его коллеги в своих исследованиях. Американские физики, опасаясь физического гения Гейзенберга, продолжили свои интенсивные работы и первыми создали бомбу. Участникам же атомного проекта в Германии не удалось даже построить ядерный реактор. Среди факторов, помешавших это сделать – изгнание ученых-евреев из Германии, приказ Гитлера о запрещении исследований, которые не принесут результата в течение полугода, неправильные теоретические оценки необходимого для цепной реакции количества урана, уничтожение авиацией союзников завода по производству тяжелой воды в Норвегии и других важных объектов и т. д.

После окончания войны Гейзенберг, Вайцзеккер и другие участники германского атомного проекта были арестованы и интернированы в Англию.

Репутация Гейзенберга как человека сильно пострадала. Былую встречу с Бором Гейзенберг представлял не как попытку привлечь датского гения к фашистскому проекту, а как свое желание предотвратить разработку атомной бомбы. Нильс Бор отказался разглашать содержание беседы с Гейзенбергом, но после той встречи он порвал все контакты с немецким ученым и вскоре уехал в Англию, а затем в США в Лос-Аламос, где осуществлялся американский проект атомной бомбы.