Fu uno dei principali artefici della meccanica quantistica, in particolare per aver ispirato e formulato la versione nota come meccanica delle matrici e il principio di indeterminazione. Ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1932 "per la creazione della meccanica quantistica".
Dette anche importanti contributi alle teorie dell'idrodinamica dei flussi turbolenti, del nucleo atomico, del ferromagnetismo, dei raggi cosmici e delle particelle subatomiche e fu determinante nella pianificazione del primo reattore nucleare della Germania Occidentale a Karlsruhe.
Durante la seconda guerra mondiale fu uno dei principali scienziati del programma tedesco sulle armi nucleari.
Biografia Infanzia e adolescenza Nel tardo pomeriggio del 5 dicembre 1901 Anna Wecklein Heisenberg, moglie del bizantinista August Heisenberg, dà alla luce il suo secondogenito, Werner Karl. Per l'esattezza, alle sedici e quarantacinque del precisissimo registro anagrafico di Würzburg, dove la famiglia vive al numero 10 di Heidingfeldstrasse. I primi anni di Werner trascorrono in un ambiente sereno tra solenni regole dell'accademia e faccende di casa. Nelle poche immagini rimaste Werner Heisenberg appare un bambino timido e schivo, di corporatura esile, ai limiti della gracilità, con un caschetto di capelli biondissimi e le guance tempestate di lentiggini.
Insieme al fratello più grande vive all'insegna di una continua, incessante rivalità, motivata probabilmente dal desiderio di assicurarsi le scarse attenzioni del padre, che per parte sua contribuisce ad alimentare fin dall'inizio il confronto. In un modo o nell'altro, la rivalità fomentata dal padre nei due figli deve aver influenzato la vita di Werner Heisenberg, che negli anni a venire non avrebbe mai fatto nulla per nascondere il suo istinto a primeggiare sempre e comunque, dal lavoro alle attività ricreative, manifestando una determinazione non comune, che seppe alimentare con una grande capacità di sottoporsi a una mole impressionante di lavori e con un talento non comune.
Gli insegnanti riconoscono le sue doti eccezionali fin dagli anni di Würzburg, dove frequenta le prime classi del Gymnasium, prima che il padre venga trasferito improvvisamente a Monaco alla fine del 1909, in seguito alla morte di Karl Krumbacher, il suo maestro. Nei primi tre anni del ginnasio, Werner si dedica prevalentemente allo studio del latino e della matematica raggiungendo risultati eccellenti. Alla fine del secondo anno un insegnante scrive: «Ha conseguito con facilità risultati eccellenti, quasi per gioco».
L'ambiente culturalmente stimolante di Monaco rappresenta per Werner un'opportunità ideale per il proseguimento degli studi. Quando Werner si iscrive nell'autunno 1911 al Maximilians-Gymnasium, la scuola ha già una solida reputazione di istituto d'élite e il giovane Heisenberg si merita d'ufficio l'iscrizione nella sezione A del ginnasio, quella destinata agli studenti più promettenti. Sostiene gli esami nell'estate del 1920, il 7 luglio 1920 e la brillante prova orale di Werner gli assicura l'ultimo posto utile per conquistare una borsa di studio alla prestigiosa Maximilianeum-Stiftung, la fondazione istituita nel 1849 da Massimiliano II di Baviera..
L'Università Conclusi gli studi liceali, Heisenberg doveva decidere in quale campo proseguire il proprio percorso e scelse di iscriversi alla facoltà di matematica, materia che lo aveva sempre appassionato. Il padre così gli combinò un incontro con Ferdinand von Lindemann, un famoso professore di matematica, noto per aver risolto il problema della quadratura del cerchio. Quando Heisenberg entrò nell'ufficio, vide che sulla scrivania era accucciato un cagnolino nero, che cominciò ad abbaiare nei suoi confronti quando lui, balbettando, domandò al professore il permesso di seguire i suoi seminari, sperando che bastassero le sue conoscenze di autodidatta. Lindemann gli domandò allora cosa avesse letto ultimamente e Heisenberg gli citò Spazio, tempo e materia di Hermann Weyl, in cui l'autore cercava di dar forma matematicamente alla teoria della relatività. Lindemann osservò che in quel caso, era evidente che la matematica non faceva per Heisenberg, e gli fece un cenno per indicare che il colloquio era finito.
Dopo estenuanti discussioni in famiglia August Heisenberg, allora, procurò al figlio un appuntamento con Arnold Sommerfeld, preside della facoltà di fisica teorica dell'Università di Monaco. Il professore dopo un breve colloquio accettò il giovane Heisenberg che di lì a poco si iscrisse al corso di Sommerfeld, articolato in sei semestri, organizzato dalla facoltà di filosofia, prima di poter affrontare l'esame di laurea. Heisenberg, che prima era stato intenzionato ad iscriversi a matematica, capisce subito di aver fatto la scelta giusta. Più che le lezioni di Sommerfeld, tuttavia, ad influenzarlo veramente sarà la conoscenza di un suo compagno di studi con cui avrebbe stretto un'amicizia destinata a durare per tutta la vita: Wolfgang Pauli.
Werner segue un programma impegnativo: cinque corsi principali che vertono sulla fisica teorica. Nello stesso periodo, Heisenberg si avvicina al movimento giovanile tedesco, pur rifiutandone il carattere nazionalista, passando le sue giornate in mezzo alla natura con i suoi amici. Tra il 1920 e il 1921, si avvicina alla frangia di sinistra del movimento (pur mantenendosi apolitico), perché condivide con loro gli interessi pedagogici: tiene infatti lezioni serali sull'opera lirica tedesca a beneficio dei lavoratori e organizza un corso di astronomia. La sera si reca in campagna, seguito da intere famiglie, per andare a guardare le stelle, o fa da cicerone all'osservatorio statale, riscuotendo un grande successo. Heisenberg stesso racconta che il suo stile di vita, completamente diverso da quello di Pauli, che era abituato a stare sveglio fino all'alba per poi presentarsi a lezione solo a pomeriggio inoltrato, avrebbe offerto motivo di divertenti battibecchi per tutto il tempo in cui i due studiarono insieme.
La vita universitaria a Monaco lo assorbe completamente e il suo precoce talento comincia a mettersi in luce sotto la guida di Arnold Sommerfeld. Durante un convegno a Jena, Heisenberg presenta il suo "modello della regione centrale dell'atomo", che spiega molti dei fenomeni inspiegabili fino ad allora e il 17 dicembre 1921 la «Zeitschrift für Physik», una delle più importanti riviste di fisica, accetta il manoscritto proposto da Heisenberg per la pubblicazione.
È a Gottinga, nel giugno 1922, che Heisenberg incontra per la prima volta, durante una conferenza, Bohr, le sue domande argute suscitano l'interesse di Bohr, tanto da far iniziare una fruttuosa collaborazione durata quasi vent'anni. Curiosamente Heisenberg ha problemi all'università nel passare gli esami, tanto da ottenere un punteggio minimo al dottorato..
Nei primi mesi del 1923 Max Born, direttore dell'istituto di fisica teorica a Gottinga, propone al giovane Heisenberg un semestre come assistente per sostituire Pauli, il giovane Werner accetta anche se non ha molto tempo per dedicarsi alla stesura del suo lavoro di laurea.
Il 10 luglio 1923 sottopone una tesi di sole 59 pagine alla commissione della facoltà di filosofia e il 23 luglio 1923 si presenta davanti alla commissione per sostenere l'esame di laurea, risponde molto facilmente alle domande di fisica teorica e matematica ma ha molte difficoltà a rispondere alle domande di fisica sperimentale, alla fine supera l'esame con una media poco sopra la sufficienza..
Il principio di indeterminazione e l'interpretazione di Copenaghen
Werner arriva per la prima volta a Copenaghen il 15 marzo 1924, dove trova un ambiente accogliente. I primi giorni li trascorre in lunghe discussioni con Bohr sulla filosofia della fisica dei quanti e sulla nuova teoria di Bohr-Kramers-Slater (BKS) sulla dualità tra onda e particella nella teoria quantistica della radiazione, uno dei più profondi enigmi della fisica dell'epoca.
A luglio Bohr gli comunica l'attribuzione di una generosa borsa di studio per trascorrere un anno a Copenaghen e il 28 luglio 1924 il corpo docente di Gottinga approva la sua abilitazione all'insegnamento nelle università tedesche, grazie a una dissertazione sulla teoria dell'effetto Zeeman.
A metà settembre 1924 Werner fa il suo timido ingresso nel tempio della fisica atomica di Copenaghen, dove la vita è molto dura a causa della concorrenza dei giovani fisici più promettenti provenienti da tutto il mondo. Ma questo ambiente lo stimola, infatti da lì a pochi mesi Werner si incammina sulla strada che lo porterà a formulare la "meccanica matriciale". Nella meccanica matriciale Werner sostituisce le orbite classiche con una serie ordinata di enti di una matrice e in seconda battuta applica il principio di conservazione dell'energia.
Questa condizione gli permette di derivare le energie degli stati stazionari applicando la sua regola di moltiplicazione per gli elementi di matrice alle corrispondenti espressioni classiche. Heisenberg pubblicherà la sua nuova scoperta alla fine di luglio 1925 sulla «Zeitscrift für Physik» e questa susciterà il grande interesse di Born e Dirac, i quali interpreteranno la regola di Heisenberg come la relazione quanto-meccanica per la moltiplicazione delle matrici momento e posizione di un qualsiasi sistema meccanico. L'intuizione sopraggiunse a Heisenberg la notte del 7 giugno mentre era in vacanza sull'isola di Helgoland. Riflettendo sulla questione, ebbe l'idea verso le tre di notte, per poi recarsi in uno dei punti a sud dell'isola per osservare l'alba. Dopo aver mostrato agli altri scienziati la sua intuizione e interpretati i dati che richiamavano al calcolo delle matrici disse con costernazione: «Non so neppure cosa sia una matrice!»
La nuova teoria deve subito affrontare una dura sfida, infatti nelle stesso periodo Erwin Schrödinger elabora la sua meccanica ondulatoria, ottenendo attraverso un'opportuna «equazione d'onda» i risultati cercati con minore complessità di calcolo rispetto alla meccanica matriciale. Poco dopo è lo stesso Schrödinger a dimostrare l'equivalenza formale dei due approcci. Lo scontro fra le due teorie è solo all'inizio e la teoria delle matrici, pur esatta, appare meno in grado di "visualizzare" la traiettoria di un elettrone; si creano delle tensioni tra i due scienziati, tanto che Heisenberg commenta aspramente:
Questi toni evidenziano il clima di scontro di quel periodo tra le due formulazioni della meccanica quantistica, l'una che considerava i fenomeni atomici come graduali, l'altra caratterizzata da salti quantici. Al riguardo Schrödinger afferma: «Non posso immaginare che un elettrone salti qua e là come una pulce.» Chi alla fine fa da paciere tra i due fisici è Niels Bohr, invitando Schrödinger a Copenaghen per discutere della loro versione della fisica dei quanti..
Heisenberg trae ispirazione dalle parole di Einstein, incontrato durante una conferenza a Berlino. «Una sera – ricorda in Fisica e oltre – mi tornarono in mente le parole di Einstein: "È la teoria a decidere che cosa possiamo osservare". –Il problema – continua Heisenberg – andava affrontato in altro modo: la meccanica quantistica è in grado di rappresentare il fatto che un elettrone si trova approssimativamente in un punto dato e che si sposta approssimativamente a una velocità data? E poi siamo in grado di calcolare posizione e velocità in modo sufficientemente approssimato da non andare incontro a difficoltà sperimentali?».