ורנר הייזנברג

ורנר הייזנברג

ורנר קרל הייזנברג (Werner Karl Heisenberg;‏ 5 בדצמבר 1901 – 1 בפברואר 1976) היה פיזיקאי תאורטי גרמני, מראשוני החלוצים של תורת מכניקת הקוונטים ומדען בכיר בתוכנית הגרעין הגרמנית במהלך מלחמת העולם השנייה.

הייזנברג פרסם בשנת 1925 את מאמר ה-Umdeutung ("פרשנות מחדש"), שהיווה פרשנות מחדש משמעותית לתורת הקוונטים הישנה. בסדרת המאמרים שבאה בעקבותיו, בשיתוף עם מקס בורן (Max Born) ופסקואל יורדן (Pascual Jordan) באותה שנה, שוכלל ניסוח המטריצות שלו למכניקת הקוונטים באופן ניכר. הוא מוכר בזכות עקרון אי-הוודאות, אותו פרסם בשנת 1927. הוא קיבל את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1932 "על יצירת מכניקת הקוונטים".

הייזנברג תרם גם לתאוריות של הידרודינמיקה של זרימה טורבולנטית, גרעין האטום, פרומגנטיות, קרניים קוסמיות וחלקיקים תת-אטומיים. הוא הכניס את מושג קריסת פונקציית הגל. כמו כן, היה לו תפקיד מרכזי בתכנון כור המחקר הגרעיני הראשון של מערב גרמניה במרכז המחקר הגרעיני בקרלסרוהה (Kernforschungszentrum Karlsruhe), יחד עם כור נוסף בגארכינג בבית הספר הטכני הגבוה במינכן (Technische Hochschule München), בשנת 1957 (שניהם היו כורי מחקר).

לאחר מלחמת העולם השנייה מונה הייזנברג למנהל מכון קייזר וילהלם לפיזיקה (Kaiser Wilhelm Institute for Physics), ששמו שונה זמן קצר לאחר מכן למכון מקס פלאנק לפיזיקה. הוא כיהן כמנהל עד שהמכון הועבר למינכן בשנת 1958. הוא היה מנהל מכון מקס פלאנק לפיזיקה ואסטרופיזיקה משנת 1960 עד 1970.

הייזנברג כיהן גם כנשיא מועצת המחקר הגרמנית, יושב ראש הוועדה לפיזיקה אטומית, יושב ראש קבוצת העבודה לפיזיקה גרעינית, ונשיא קרן אלכסנדר פון הומבולדט.

ראשית חייו והשכלתו

### שנותיו המוקדמות

ורנר קרל הייזנברג נולד בוירצבורג (Würzburg), גרמניה, בנם של קספר ארנסט אוגוסט הייזנברג (Kaspar Ernst August Heisenberg) ואנה וקליין (Annie Wecklein). אביו היה מורה בבית ספר תיכון לשפות קלאסיות והפך לפרופסור מן המניין (ordentlicher Professor) היחיד בגרמניה ללימודי יוונית של ימי הביניים והעת החדשה במערכת האוניברסיטאית.

הייזנברג גדל וחיה כנוצרי לותרני. בשנות נערותו המאוחרות קרא הייזנברג את "טימאיוס" (Timaeus) של אפלטון במהלך טיול רגלי באלפים הבוואריים. הוא תיאר שיחות פילוסופיות עם חבריו לספסל הלימודים ומוריו על הבנת האטום במהלך הכשרתו המדעית באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן (Ludwig-Maximilians-Universität München), באוניברסיטת גטינגן (University of Göttingen) ובאוניברסיטת קופנהגן (University of Copenhagen). הייזנברג ציין מאוחר יותר כי "דעתי עוצבה על ידי לימוד פילוסופיה, אפלטון ודברים מהסוג הזה" וכי "הפיזיקה המודרנית הכריעה באופן חד-משמעי לטובת אפלטון. למעשה היחידות הקטנות ביותר של החומר אינן אובייקטים פיזיים במובן הרגיל; הן צורות, רעיונות שניתן לבטאם באופן חד-משמעי רק בשפה מתמטית".

בשנת 1919 הגיע הייזנברג למינכן כחבר בפרייקור (Freikorps) כדי להילחם ברפובליקה הסובייטית הבווארית (Bavarian Soviet Republic) שהוקמה שנה קודם לכן. חמישה עשורים מאוחר יותר הוא נזכר בימים ההם ככיף של נעורים, כמו "משחק שוטרים וגנבים וכדומה; זה לא היה רציני כלל"; חובותיו הוגבלו ל"תפיסת אופניים או מכונות כתיבה מבנייני מנהלה 'אדומים'", ושמירה על אסירים "אדומים" חשודים.

### לימודים אקדמיים

בין השנים 1920 ל-1923 למד פיזיקה ומתמטיקה באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן תחת ארנולד זומרפלד (Arnold Sommerfeld) וווילהלם וין (Wilhelm Wien), ובאוניברסיטת גטינגן עם מקס בורן וג'יימס פרנק (James Franck) ומתמטיקה עם דוויד הילברט (David Hilbert). הוא קיבל את תואר הדוקטור שלו בשנת 1923 באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן תחת זומרפלד.

ביוני 1922 לקח זומרפלד את הייזנברג לגטינגן כדי להשתתף ב"פסטיבל בור" (Bohr Festival), כיוון שזומרפלד התעניין בכנות בתלמידיו וידע על התעניינותו של הייזנברג בתאוריות של נילס בור (Niels Bohr) על פיזיקה אטומית. באירוע זה היה בור מרצה אורח והעביר סדרת הרצאות מקיפות על פיזיקה אטומית קוונטית, והייזנברג פגש את בור לראשונה, פגישה שהותירה עליו רושם מתמשך.

עבודת הדוקטורט של הייזנברג, שנושאה הוצע על ידי זומרפלד, עסקה בטורבולנציה (זרימה מערבולתית); העבודה דנה הן ביציבות של זרימה למינרית והן בטבעה של זרימה טורבולנטית. בעיית היציבות נחקרה באמצעות משוואת אור–זומרפלד (Orr–Sommerfeld equation), משוואה דיפרנציאלית ליניארית מסדר רביעי עבור הפרעות קטנות בזרימה למינרית. הוא חזר בקצרה לנושא זה לאחר מלחמת העולם השנייה.

בגטינגן, תחת בורן, השלים את ההביליטציה שלו בשנת 1924 עם תזה (Habilitationsschrift) העוסקת באפקט זימן (Zeeman effect) הבלתי רגיל.

בנעוריו היה חבר ומנהיג בצופים בארגון נויפדפינדר (Neupfadfinder), אגודת צופים גרמנית שהייתה חלק מתנועת הנוער הגרמנית. באוגוסט 1923 ארגנו רוברט הונזל (Robert Honsell) והייזנברג טיול לפינלנד עם קבוצת צופים של אגודה זו ממינכן.

### חייו האישיים

הייזנברג נהנה ממוזיקה קלאסית והיה פסנתרן מוכשר; נגינה בפני אחרים הייתה חלק בולט מחיי החברה שלו. בשלהי שנות ה-20 ובתחילת שנות ה-30 מרבה היה לנגן ולרקוד בבית הברלינאי של תלמידו האריסטוקרטי קרל פרידריך פון וייצזקר (Carl Friedrich von Weizsäcker), ובמהלך תקופה זו חיזר אחר אחותו של קרל, אדלהייד (Adelheid), שהייתה בגיל תיכון, מה שהוביל לכך שלא היה רצוי בביתם במשך זמן מה. שנים מאוחר יותר, התעניינותו במוזיקה הובילה גם למפגש עם אשתו לעתיד. בינואר 1937 פגש הייזנברג את אליזבת שומאכר (Elisabeth Schumacher;‏ 1914–1998) ברסיטל מוזיקלי פרטי. שומאכר הייתה בתו של פרופסור ידוע לכלכלה מברלין, ואחיה היה הכלכלן א"פ שומאכר (E. F. Schumacher), מחבר הספר "קטן זה יפה" (Small Is Beautiful). הייזנברג ושומאכר נישאו ב-29 באפריל. התאומים הלא-זהים מריה וולפגנג נולדו בינואר 1938, ואז בירך וולפגנג פאולי (Wolfgang Pauli) את הייזנברג על "יצירת הזוג" שלו — משחק מילים על תהליך מפיזיקת החלקיקים היסודיים, יצירת זוג. נולדו להם עוד חמישה ילדים ב-12 השנים הבאות: ברברה, כריסטינה, יוכן, מרטין וורנה. בשנת 1939 קנה בית קיץ למשפחתו באורפלד אם ואלכנסה (Urfeld am Walchensee), בדרום גרמניה.

אחד מבניו של הייזנברג, מרטין הייזנברג (Martin Heisenberg), היה לנוירוביולוג באוניברסיטת וירצבורג, ואילו בן אחר, יוכן הייזנברג (Jochen Heisenberg), היה לפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת ניו המפשייר (University of New Hampshire).

קריירה אקדמית

### גטינגן, קופנהגן ולייפציג

משנת 1924 עד 1927 היה הייזנברג פריבט-דוצנט (Privatdozent) בגטינגן, כלומר היה מוסמך ללמד ולבחון באופן עצמאי, ללא קתדרה. מ-17 בספטמבר 1924 עד 1 במאי 1925, במסגרת המלגה של מועצת החינוך הבינלאומית של קרן רוקפלר, נסע הייזנברג לעשות מחקר עם נילס בור, מנהל המכון לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת קופנהגן. ב-7 ביוני, לאחר שבועות שבהם נכשל בהקלת התקף חמור של קדחת השחת באמצעות אספירין וקוקאין, פרש הייזנברג לאי הלגולנד (Helgoland) שבים הצפוני, הנקי מאבקנים, כדי להתמקד במכניקת הקוונטים. מאמרו הפורץ דרך, "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" ("פרשנות קוונטית-תאורטית מחדש של יחסים קינמטיים ומכניים"), הנקרא גם מאמר ה-Umdeutung (פרשנות מחדש), פורסם בספטמבר 1925. הוא חזר לגטינגן וביחד עם מקס בורן ופסקואל יורדן פיתח במשך כשישה חודשים את הניסוח המטריצי של מכניקת הקוונטים. ב-1 במאי 1926 החל הייזנברג את מינויו כמרצה באוניברסיטה ועוזרו של בור בקופנהגן. בקופנהגן, בשנת 1927, פיתח הייזנברג את עקרון אי-הוודאות שלו, תוך כדי עבודה על היסודות המתמטיים של מכניקת הקוונטים. ב-23 בפברואר כתב הייזנברג מכתב לעמיתו הפיזיקאי וולפגנג פאולי, שבו תיאר לראשונה את העקרון החדש שלו. במאמרו על העקרון השתמש הייזנברג במילה "Ungenauigkeit" (אי-דיוק), ולא אי-וודאות, כדי לתאר אותו.

בשנת 1927 מונה הייזנברג לפרופסור מן המניין (ordentlicher Professor) לפיזיקה תאורטית ולראש המחלקה לפיזיקה באוניברסיטת לייפציג; הוא נשא שם את הרצאת הבכורה שלו ב-1 בפברואר 1928. במאמרו הראשון שפורסם בלייפציג השתמש הייזנברג בעקרון האיסור של פאולי כדי לפתור את תעלומת הפרומגנטיות.

בגיל 25 זכה הייזנברג בתואר הפרופסור במשרה מלאה הצעיר ביותר בגרמניה וראש המכון לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת לייפציג. הוא העביר הרצאות שבהן נכחו פיזיקאים כמו אדוארד טלר (Edward Teller) ורוברט אופנהיימר (Robert Oppenheimer), שעבדו מאוחר יותר על פרויקט מנהטן (Manhattan Project) עבור ארצות הברית.

במהלך כהונתו של הייזנברג בלייפציג, האיכות הגבוהה של תלמידי הדוקטורט ועמיתי המחקר והפוסט-דוקטורנטים שלמדו ועבדו איתו ניכרת מההערכה שרבים מהם זכו לה מאוחר יותר. הם כללו את אריך באגה (Erich Bagge), פליקס בלוך (Felix Bloch), אוגו פאנו (Ugo Fano), זיגפריד פליגה (Siegfried Flügge), ויליאם ורמיליון יוסטון (William Vermillion Houston), פרידריך הונד (Friedrich Hund), רוברט ס' מוליקן (Robert S. Mulliken), רודולף פיירלס (Rudolf Peierls), ג'ורג' פלצ'ק (George Placzek), איזידור אייזק רבי (Isidor Isaac Rabi), פריץ זאוטר (Fritz Sauter), ג'ון ק' סלייטר (John C. Slater), אדוארד טלר, ג'ון הסברוק ואן פלק (John Hasbrouck van Vleck), ויקטור פרדריק וייסקופף (Victor Frederick Weisskopf), קרל פרידריך פון וייצזקר, גרגור ונצל (Gregor Wentzel) וקלרנס זינר (Clarence Zener).

בתחילת 1929 הגישו הייזנברג ופאולי את הראשון מבין שני מאמרים שהניחו את היסוד לתורת השדות הקוונטית היחסותית. כמו כן בשנת 1929 יצא הייזנברג למסע הרצאות בסין, יפן, הודו וארצות הברית. באביב 1929 היה מרצה אורח באוניברסיטת שיקגו, שם הרצה על מכניקת הקוונטים. בשנת 1929 הגיע הייזנברג יחד עם פול דיראק (Paul Dirac) לטוקיו, שם נשאו שניהם הרצאות. בשנת 1928 פיתח הפיזיקאי המתמטי הבריטי פול דיראק את משוואת הגל היחסותית שלו של מכניקת הקוונטים, אשר רימזה על קיומם של אלקטרונים חיוביים, שנקראו מאוחר יותר פוזיטרונים. בשנת 1932, מתוך תצלום תא ערפל של קרניים קוסמיות, זיהה הפיזיקאי האמריקאי קרל דיוויד אנדרסון (Carl David Anderson) מסלול ככזה שנוצר על ידי פוזיטרון. באמצע 1933 הציג הייזנברג את התאוריה שלו על הפוזיטרון. מחשבותיו על התאוריה של דיראק והמשך פיתוח התאוריה הוצגו בשני מאמרים. הראשון, "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" ("הערות על התאוריה של דיראק על הפוזיטרון") פורסם בשנת 1934, והשני, "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" ("מסקנות מהתאוריה של דיראק על הפוזיטרון"), פורסם בשנת 1936. במאמרים אלה היה הייזנברג הראשון שפרש מחדש את משוואת דיראק כמשוואת שדה "קלאסית" עבור כל חלקיק נקודתי בעל ספין ħ/2, הכפוף בעצמו לתנאי קוונטיזציה המערבים אנטי-קומטטורים. בכך שפירש אותה מחדש כמשוואת שדה (קוונטית) המתארת אלקטרונים בדייקנות, היציב הייזנברג את החומר באותה מדרגה כמו האלקטרומגנטיות: כמתואר על ידי משוואות שדה קוונטיות יחסותיות שאיפשרו את האפשרות של יצירת חלקיקים והשמדתם. (הרמן וייל [Hermann Weyl] כבר תיאר זאת במכתב מ-1929 לאלברט איינשטיין [Albert Einstein]).

### מכניקת המטריצות ופרס נובל

מאמר ה-Umdeutung של הייזנברג שהניח את היסוד למכניקת הקוונטים המודרנית הפליא פיזיקאים והיסטוריונים. שיטותיו מניחות שהקורא בקי בחישובי הסתברות המעבר של קראמרס-הייזנברג (Kramers-Heisenberg). הרעיון החדש המרכזי, מטריצות שלא מתחלפות (לא קומוטטיביות), מוצדק רק על ידי דחיית גדלים בלתי נצפים. הוא מכניס את הכפל הלא-קומוטטיבי של מטריצות מתוך נימוקים פיזיקליים, המבוססים על עקרון ההתאמה, למרות העובדה שהייזנברג לא היה בקי אז בתאוריה המתמטית של מטריצות. המסלול המוביל לתוצאות אלו שוחזר על ידי מקינון (MacKinnon), והחישובים المפורטים פותחו על ידי אייצ'יסון (Aitchison) ומחברים שותפים.

בקופנהגן שיתפו הייזנברג והנס קראמרס (Hans Kramers) פעולה במאמר על נפיצה, או פיזור מתוך אטומים של קרינה שאורך הגל שלה גדול מהאטומים. הם הראו כי הנוסחה המוצלחת שפיתח קראמרס מוקדם יותר לא יכלה להתבסס על מסלולי בור, מכיוון שתדרי המעבר מבוססים על מרווחי רמות אינם קבועים. התדרים המופיעים בהתמרת פורייה של מסלולי הסדרה החדה הקלאסיים, לעומת זאת, הם במרווחים שווים. אך תוצאות אלו יכלו להיסביר על ידי מודל מצב וירטואלי חצי-קלאסי: הקרינה הנכנסת מעוררת את אלקטרון הערכיות, או האלקטרון החיצוני, למצב וירטואלי שממנו הוא דועך. במאמר שלאחר מכן הראה הייזנברג כי מודל המתנד הוירטואלי הזה יכול להסביר גם את הקיטוב של קרינה פלואורסצנטית.

שני ההצלחות הללו, והכישלון המתמשך של מודל בור–זומרפלד להסביר את הבעיה הנותרת של אפקט זימן הבלתי רגיל, הובילו את הייזנברג להשתמש במודל המתנד הוירטואלי כדי לנסות לחשב תדרים ספקטרליים. השיטה התבררה כקשה מדי ליישום מיידי על בעיות מציאותיות, ולכן פנה הייזנברג לדוגמה פשוטה יותר, המתנד הלא-הרמוני.

מתנד הדיפול מורכב ממתנד הרמוני פשוט, הנחשב כחלקיק טעון על קפיץ, המופרע על ידי כוח חיצוני, כמו מטען חיצוני. את תנועת המטען המתנדנד ניתן לבטא כטור פורייה בתדר המתנד. הייזנברג פתר עבור ההתנהגות הקוונטית בשתי שיטות שונות. ראשית, הוא התייחס למערכת בשיטת המתנד הוירטואלי, תוך חישוב המעברים בין הרמות שייווצרו על ידי המקור החיצוני.

לאחר מכן הוא פתר את אותה בעיה על ידי התייחסות לרכיב הפוטנציאל הלא-הרמוני כהפרעה למתנד ההרמוני ושימוש בשיטות ההפרעה שהוא ובורן פיתחו. שתי השיטות הובילו לאותן תוצאות עבור תיקוני הסדר הראשון והסדר השני המסובך מאוד. דבר זה הציע כי מאחורי החישובים המסובכים מאוד עומדת סכמה עקבית.

לפיכך ניגש הייזנברג לנסח תוצאות אלו ללא תלות מפורשת במודל המתנד הוירטואלי. לשם כך הוא החליף את פיתוחי פורייה עבור הקואורדינטות המרחביות במטריצות, מטריצות שהתאימו למקדמי המעבר בשיטת המתנד הוירטואלי. הוא הצידק החלפה זו בהסתמכות על עקרון ההתאמה של בור ועל הדוקטרינה של פאולי שלפיה מכניקת הקוונטים חייבת להגביל את עצמה לגדלים נצפים.

ב-9 ביולי נתן הייזנברג לבורן את המאמר הזה לבדיקה ולהגשה לפרסום. כשקרא בורן את המאמר, הוא זיהה את הניסוח ככזה שניתן להעתיק ולהרחיב לשפה הסטנדרטית והשיטתית של מטריצות, אותה למד במהלך לימודיו תחת יעקב רוזאנס (Jakob Rosanes) באוניברסיטת ברסלאו (Breslau University). בורן, בעזרת עוזרו ותלמידו לשעבר פסקואל יורדן, החל מייד לבצע את ההעתקה וההרחבה, והם הגישו את תוצאותיהם לפרסום; המאמר התקבל לפרסום 60 יום בלבד לאחר מאמרו של הייזנברג. מאמר המשך הוגש לפרסום לפני תום השנה על ידי כל שלושת המחברים.

עד לתקופה זו, נעשה במטריצות שימוש נדיר על ידי פיזיקאים; הן נחשבו כשייכות לתחום המתמטיקה הטהורה. גוסטב מי (Gustav Mie) השתמש בהן במאמר על אלקטרודינמיקה בשנת 1912 ובורן השתמש בהן בעבודתו על תאוריית הסריג של גבישים בשנת 1921. בעוד שנעשה שימוש במטריצות במקרים אלה, האלגברה של מטריצות עם הכפל שלהן לא נכנסה לתמונה כפי שנכנסה בניסוח המטריצי של מכניקת הקוונטים.

בשנת 1928 הציע אלברט איינשטיין את הייזנברג, בורן ויורדן לפרס נובל לפיזיקה. ההודעה על פרס נובל לפיזיקה לשנת 1932 נדחתה עד לנובמבר 1933. באותה עת הוכרז כי הייזנברג זכה בפרס לשנת 1932 "על יצירת מכניקת הקוונטים, אשר יישומה הוביל, בין היתר, לגילוי הצורות האלוטרופיות של המימן".

### פרשנות תורת הקוונטים

לפיתוח מכניקת הקוונטים, ולמשמעויות הסותרות לכאורה בנוגע למה ש"אמיתי", היו השלכות פילוסופיות עמוקות, כולל התהייה מה משמעותן הריאלית של תצפיות מדעיות. בניגוד לאלברט איינשטיין וללואי דה ברואי (Louis de Broglie), שהיו ריאליסטים והאמינו שלחלקיקים יש תנע ומיקום אמיתיים ואובייקטיביים בכל עת (גם אם לא ניתן למדוד את שניהם), הייזנברג היה אנטי-ריאליסט, וטען מידע ישיר על מה ש"אמיתי" הוא מעבר לתחומו של המדע. בספרו "תפיסת הטבע של הפיזיקאי" (The Physicist's Conception of Nature), טען הייזנברג כי בסופו של דבר ניתן לדבר רק על הידע (מספרים בטבלאות) המתאר משהו על חלקיקים אך לעולם לא יכולה להיות גישה "אמיתית" לחלקיקים עצמם:

> איננו יכולים עוד לדבר על התנהגות החלקיק באופן בלתי תלוי בתהליך התצפית. כתוצאה סופית, חוקי הטבע המנוסחים מתמטית בתורת הקוונטים אינם עוסקים עוד בחלקיקים היסודיים עצמם אלא בידע שלנו עליהם. כמו כן אי אפשר עוד לשאול אם חלקיקים אלה קיימים בחלל ובזמן באופן אובייקטיבי ... כשאנו מדברים על תמונת הטבע במדע המדויק של עידננו, איננו מתכוונים לתמונת הטבע כפי שאנו מתכוונים לתמונת היחסים שלנו עם הטבע. ...המדע אינו מתעמת עוד עם הטבע כצופה אובייקטיבי, אלא רואה את עצמו כשחקן באינטראקציה זו בין האדם לטבע. השיטה המדעית של ניתוח, הסבר וסיווג הפכה למודעת למגבלותיה, הנובעות מהעובדה שבאמצעות התערבותו המדע משנה ומעצב מחדש את אובייקט החקירה. במילים אחרות, אי אפשר עוד להפריד בין השיטה לאובייקט.

### חקירת האס אס

זמן קצר לאחר גילוי הנייטרון על ידי ג'יימס צ'אדוויק (James Chadwick) בשנת 1932, הגיש הייזנברג את הראשון מבין שלושה מאמרים על מודל הנייטרון-פרוטון שלו של הגרעין. לאחר שאדולף היטלר (Adolf Hitler) עלה לשלטון בשנת 1933, הותקף הייזנברג בעיתונות כ"יהודי לבן" (כלומר ארי המתנהג כמו יהודי). תומכי ה-Deutsche Physik, או "פיזיקה גרמנית" (הידועה גם כפיזיקה ארית), פתחו בהתקפות אכזריות נגד פיזיקאים תאורטיים מובילים, כולל ארנולד זומרפלד והייזנברג. מתחילת שנות ה-30 התעסקה התנועה האנטישמית והאנטי-תאורטית "פיזיקה גרמנית" במכניקת הקוונטים ובתורת היחסות. כפי שיושם בסביבה האקדמית, גורמים פוליטיים קיבלו עדיפות על פני יכולת מדעית, אף על פי ששני תומכיה הבולטים ביותר היו חתני פרס נובל לפיזיקה פיליפ לנארד (Philipp Lenard) ויוהאנס שטארק (Johannes Stark).

יוזמות רבות למנות את הייזנברג לפרופסור במספר אוניברסיטאות גרמניות נכשלו. ניסיונו להתמנות ליורשו של ארנולד זומרפלד נכשל בגלל התנגדות תנועת ה"פיזיקה הגרמנית". ב-1 באפריל 1935 הגיע הפיזיקאי התאורטי הבולט זומרפלד, מנחה הדוקטורט של הייזנברג באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן, למעמד פרופסור אמריטוס. זומרפלד נשאר בקתדרה שלו במהלך תהליך הבחירה של יורשו, שנמשך עד 1 בדצמבר 1939. התהליך היה ממושך בשל חילוקי דעות אקדמיים ופוליטיים בין בחירת הפקולטה באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן לבין משרד החינוך של הרייך (Reichserziehungsministerium) ותומכי ה"פיזיקה הגרמנית".

בשנת 1935 הרכיבה הפקולטה באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן רשימת מועמדים להחלפת זומרפלד כפרופסור מן המניין לפיזיקה תאורטית וראש המכון לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן. שלושת המועמדים היו כולם תלמידים לשעבר של זומרפלד: הייזנברג, שקיבל את פרס נובל לפיזיקה; פיטר דביי (Peter Debye), שקיבל את פרס נובל לכימיה בשנת 1936; וריכרד בקר (Richard Becker). הפקולטה באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן עמדה בנחישות מאחורי מועמדים אלה, כאשר הייזנברג היה הבחירה הראשונה שלהם. תומכי ה"פיזיקה הגרמנית" וגורמים במשרד החינוך של הרייך החזיקו ברשימת מועמדים משלהם, והמאבק נגרר במשך יותר מארבע שנים. במהלך תקופה זו ספג הייזנברג התקפות אכזריות מצד תומכי ה"פיזיקה הגרמנית". התקפה אחת פורסמה ב-Das Schwarze Korps, עיתון האס אס (SS) בראשותו של היינריך הימלר (Heinrich Himmler). במאמר זה נקרא הייזנברג "יהודי לבן" שיש לגרום לו "להיעלם". התקפות אלו נלקחו ברצינות, שכן יהודים הותקפו באלימות ונכלאו. הייזנברג נלחם בחזרה באמצעות מאמר מערכת ומכתב להמלר, בניסיון לפתור את העניין ולהשיב את כבודו.

בשלב מסוים ביקרה אמו של הייזנברג את אמו של הימלר. השתיים הכירו זו את זו, שכן סבו מצד אמו של הייזנברג ואביו של הימלר היו מנהלי בתי ספר וחברים במועדון טיולים בווארי. בסופו של דבר יישב הימלר את פרשת הייזנברג על ידי שליחת שני מכתבים, אחד לגרופנפיהרר אס אס ריינהרד היידריך (Reinhard Heydrich) ואחד להייזנברג, שניהם ב-21 ביולי 1938. במכתב להיידריך אמר הימלר כי גרמניה אינה יכולה להרשות לעצמה לאבד או להשתיק את הייזנברג, מכיוון שהוא יהיה מועיל להוראת דור של מדענים. להייזנברג אמר הימלר כי המכתב בא בהמלצת משפחתו והוא הזהיר את הייזנברג להבחין בין תוצאות מחקר פיזיקלי מקצועיות לבין העמדות האישיות והפוליטיות של המדענים המעורבים.

וילהלם מילר (Wilhelm Müller) החליף את זומרפלד באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן. מילר לא היה פיזיקאי תאורטי, לא פרסם בכתב עת לפיזיקה ולא היה חבר באגודה הפיזיקלית הגרמנית (Deutsche Physikalische Gesellschaft). מינויו נחשב לפארסה ולפגיעה בהכשרת פיזיקאים תאורטיים.

לשלושת החוקרים שהובילו את חקירת האס אס בעניינו של הייזנברג הייתה הכשרה לפיזיקה. הייזנברג השתתף בבחינת הדוקטורט של אחד מהם באוניברסיטת לייפציג (Universität Leipzig). המשפיע ביותר מבין השלושה היה יוהאנס יוילפס (Johannes Juilfs). במהלך חקירתם הם הפכו לתומכים בהייזנברג וכן בעמדתו נגד המדיניות האידאולוגית של תנועת ה"פיזיקה הגרמנית" בפיזיקה התאורטית ובאקדמיה.

תוכנית הנשק הגרעיני הגרמנית

### עבודה על פיזיקה לפני המלחמה

באמצע 1936 הציג הייזנברג את התאוריה שלו על מטחי קרניים קוסמיות בשני מאמרים. ארבעה מאמרים נוספים הופיעו בשנתיים הבאות.

בדצמבר 1938 שלחו הכימאים הגרמנים אוטו האן (Otto Hahn) ופריץ שטראסמן (Fritz Strassmann) כתב יד לכתב העת "מדעי הטבע" (Die Naturwissenschaften) המדווח כי גילו את היסוד בריום לאחר הפגזת אורניום בנייטרונים, מה שהוביל את האן למסקנה כי התרחשה ביקוע של גרעין האורניום; במקביל, תיקשר האן את התוצאות הללו לידידתו ליזה מייטנר (Lise Meitner), שנמלטה ביולי באותה שנה, תחילה להולנד ולאחר מכן לשוודיה. מייטנר ואחיינה אוטו רוברט פריש (Otto Robert Frisch) פירשו נכונה את תוצאותיהם של האן ושטראסמן כביקוע גרעיני. פריש אישר זאת ניסיונית ב-13 בינואר 1939.

ביוני ויולי 1939 נסע הייזנברג לארצות הברית וביקר את סמואל אברהם גאודסמיט (Samuel Abraham Goudsmit) באוניברסיטת מישיגן באן ארבור (University of Michigan in Ann Arbor). עם זאת, הייזנברג סירב להזמנה להמר לארצות הברית. הוא לא ראה את גאודסמיט שוב עד שש שנים מאוחר יותר, כאשר גאודסמיט היה היועץ המדעי הראשי של מבצע אלסוס (Operation Alsos) האמריקאי בסיום מלחמת העולם השנייה.

### חברות ב"מועדון האורניום"

תוכנית הנשק הגרעיני הגרמנית, הנודעת בשם Uranverein ("מועדון האורניום"), הוקמה ב-1 בספטמבר 1939, ביום שבו החלה מלחמת העולם השנייה באירופה. משרד החימוש של הצבא (Heereswaffenamt; HWA) דחק את מועצת המחקר של הרייך (Reichsforschungsrat; RFR) אל מחוץ למשרד החינוך של הרייך (Reichserziehungsministerium; REM) והחל את פרויקט האנרגיה הגרעינית הגרמני הרשמי תחת חסות צבאית. לפרויקט הייתה פגישתו הראשונה ב-16 בספטמבר 1939. הפגישה אורגנה על ידי קורט דיבנר (Kurt Diebner), יועץ ל-HWA, ונערכה בברלין. המוזמנים כללו את ולתר בותה (Walther Bothe), זיגפריד פליגה, הנס גייגר (Hans Geiger), אוטו האן, פאול הרטק (Paul Harteck), גרהרד הופמן (Gerhard Hoffmann), יוסף מטאך (Josef Mattauch) וגאורג שטטר (Georg Stetter). פגישה שנייה נערכה זמן קצר לאחר מכן וכללה את הייזנברג, קלאוס קלוזיוס (Klaus Clusius), רוברט דפל (Robert Döpel) וקרל פרידריך פון וייצזקר. מכון קייזר וילהלם לפיזיקה (KWIP) בברלין-דהלם הוכפף לסמכות ה-HWA, כשדיבנר משמש כמנהל מנהלי, והפיקוח הצבאי על המחקר הגרעיני החל. בתקופה שבה ניהל דיבנר את ה-KWIP במסגרת תוכנית ה-HWA, התפתחה איבה אישית ומקצועית ניכרת בין דיבנר למעגל המקורב של הייזנברג, שכלל את קרל וירץ (Karl Wirtz) וקרל פרידריך פון וייצזקר.

בוועידה מדעית שנערכה ב-26–28 בפברואר 1942 במכון קייזר וילהלם לפיזיקה, וכונסה על ידי משרד החימוש של הצבא, נשא הייזנברג הרצאה בפני פקידי הרייך על הפקת אנרגיה מביקוע גרעיני. ההרצאה, שנקראה "Die theoretischen Grundlagen für die Energiegewinnung aus der Uranspaltung" ("היסודות התאורטיים להפקת אנרגיה מביקוע אורניום") הייתה, כפי שכתב הייזנברג לאחר מלחמת העולם השנייה במכתב לסמואל גאודסמיט, "מותאמת לרמת המשכל של שר רייך". הייזנברג הרצה על פוטנציאל האנרגיה העצום של ביקוע גרעיני, וציין כי 250 מיליון אלקטרון-וולט שוחררו באמצעות ביקוע של גרעין אטום. הייזנברג הדגיש כי יש להשיג אורניום-235 טהור כדי להשיג תגובת שרשרת. הוא בחן דרכים שונות להשיג את האיזוטופ 92U בצורתו הטהורה, כולל העשרת אורניום ושיטה שכבתית אלטרנטיבית של אורניום רגיל ומאיץ במכונה. מכונה זו, כך ציין, יכולה לשמש בדרכים מעשיות לתדלוק כלי רכב, ספינות וצוללות. הייזנברג הדגיש את חשיבות התמיכה הכספית והחומרית של משרד החימוש של הצבא במאמץ מדעי זה.

ועידה מדעית שנייה נערכה בעקבותיה. נשמעו הרצאות על בעיות בפיזיקה מודרנית בעלות חשיבות מכרעת להגנה הלאומית ולכלכלה. בוועידה נכח ברנהרד רוסט (Bernhard Rust), שר המדע, החינוך והתרבות הלאומית של הרייך. בוועידה החליט השר רוסט לקחת את הפרויקט הגרעיני מחברת קייזר וילהלם ולהעבירו למועצת המחקר של הרייך.

באפריל 1942 החזיר הצבא את המכון לפיזיקה לחברת קייזר וילהלם, ומינה את הייזנברג למנהל המכון. פיטר דביי עדיין היה מנהל המכון, אך יצא לחופשה לארצות הברית לאחר שסירב להפוך לאזרח גרמני כאשר ה-HWA קיבל את הניהול המנהלי של ה-KWIP. להייזנברג הייתה עדיין גם מחלקה לפיזיקה באוניברסיטת לייפציג, שם נעשתה עבודה עבור "מועדון האורניום" על ידי רוברט דפל ואשתו קלרה דפל (Klara Döpel).

ב-4 ביוני 1942 הוזמן הייזנברג לדווח לאלברט שפר (Albert Speer), שר החימוש של גרמניה, על התחזיות להסבת המחקר של "מועדון האורניום" לפיתוח נשק גרעיני. במהלך הפגישה אמר הייזנברג לשפר כי לא ניתן לבנות פצצה לפני 1945, כיוון שזה ידרוש משאבים כספיים וכוח אדם משמעותיים.

לאחר שפרויקט "מועדון האורניום" הושם תחת הנהגת מועצת המחקר של הרייך, הוא התמקד בהפקת אנרגיה גרעינית וכך שמר על מעמדו כ-kriegswichtig (בעל חשיבות למלחמה); לכן התקצוב נמשך מצד הצבא. פרויקט האנרגיה הגרעינית חולק לתחומים הראשיים הבאים: ייצור אורניום ומים כבדים, הפרדת איזוטופי אורניום ו-Uranmaschine ("מכונת אורניום", כלומר כור גרעיני). הפרויקט פוצל אז למעשה בין מספר מכונים, שבהם המנהלים שלטו במחקר וקבעו את סדר היום המחקרי שלהם. נקודת הזמן ב-1942, שבה ויתר הצבא על שליטתו בתוכנית הנשק הגרעיני הגרמנית, הייתה שיא הפרויקט מבחינת מספר אנשי הצוות. כ-70 מדענים עבדו עבור התוכנית, כאשר כ-40 מהם הקדישו יותר מחצי מזמנם למחקר ביקוע גרעיני. לאחר 1942, מספר המדענים שעבדו על ביקוע גרעיני יישומי פחת באופן דרמטי. רבים מהמדענים שלא עבדו במכונים הראשיים הפסיקו לעבוד על ביקוע גרעיני והקדישו את מאמציהם לעבודות דחופות יותר הקשורות למלחמה.

בספטמבר 1942 הגיש הייזנברג את מאמרו הראשון בסדרה בת שלושה חלקים על מטריצת הפיזור, או מטריצת S, בפיזיקת החלקיקים היסודיים. שני המאמרים הראשונים פורסמו בשנת 1943 והשלישי בשנת 1944. מטריצת S תיארה רק את המצבים של חלקיקים פוגעים בתהליך התנגשות, את המצבים של אלה היוצאים מההתנגשות, ומצבים קשורים יציבים; לא הייתה כל התייחסות למצבי הביניים. זה היה אותו תקדים שבו הלך בשנת 1925 במה שהתברר כבסיס הניסוח המטריצי של מכניקת הקוונטים תוך שימוש בלבד בגדלים נצפים.

בפברואר 1943 מונה הייזנברג לקתדרה לפיזיקה תאורטית באוניברסיטת פרידריך וילהלם (Friedrich-Wilhelms-Universität; כיום אוניברסיטת הומבולדט בברלין). באפריל אושר בחירתו לאקדמיה הפרוסית למדעים (Preußische Akademie der Wissenschaften). באותו חודש מעביר את משפחתו למעונם באורפלד ככל שהפצצות בעלות הברית בברלין גברו. בקיץ הוא שלח את הראשונים מאנשי צוותו במכון קייזר וילהלם לפיזיקה להכינגן (Hechingen) ולעיירה השכנה הייגרלוך (Haigerloch), בשולי היער השחור, מאותן סיבות. מ-18 עד 26 באוקטובר נסע להולנד הכבושה בידי גרמניה. בדצמבר 1943 ביקר הייזנברג בפולין הכבושה בידי גרמניה.

מ-24 בינואר עד 4 בפברואר 1944 נסע הייזנברג לקופנהגן הכבושה, לאחר שהצבא הגרמני החרים את המכון לפיזיקה תאורטית של בור. הוא ערך ביקור קצר נוסף באפריל. בדצמבר הרצה הייזנברג בשווייץ הניטרלית. המשרד לשירותים אסטרטגיים (Office of Strategic Services) של ארצות הברית שלח את הסוכן מו ברג (Moe Berg) להשתתף בהרצאה כשהוא נושא אקדח, עם הוראות לירות בהייזנברג אם הרצאתו תצביע על כך שגרמניה קרובה להשלמת פצצת אטום.

בינואר 1945 עבר הייזנברג, עם מרבית שאר אנשי צוותו, ממכון קייזר וילהלם לפיזיקה למתקנים ביער השחור.

לאחר מלחמת העולם השנייה

### 1945: מבצע אלסוס

מבצע אלסוס (Alsos Mission) היה מאמץ של בעלות הברית לקבוע אם לגרמנים הייתה תוכנית פצצת אטום ולנצל מתקנים, מחקר, משאבים חומריים וצוות מדעי גרמניים הקשורים לאטום לטובת ארצות הברית. אנשי המבצע נכנסו בדרך כלל לאזורים שזה עתה עברו לשליטת כוחות הצבא של בעלות הברית, אך לעיתים פועלים באזורים שעדיין היו בשליטת כוחות גרמניים. ברלין הייתה מיקומם של מתקני מחקר מדעי גרמניים רבים. כדי לצמצם נפגעים ואובדן ציוד, מפוזרים רבים ממתקנים אלה למיקומים אחרים בשנותיה האחרונות של המלחמה. מכון קייזר וילהלם לפיזיקה (KWIP) הופצץ ולכן הועבר ברובו בשנים 1943 ו-1944 להכינגן ולעיירה השכנה הייגרלוך, בשולי היער השחור, שנכללו בסופו של דבר באזור הכיבוש הצרפתי. דבר זה איפשר לכוח המשימה האמריקאי של מבצע אלסוס לעצור מספר רב של מדענים גרמנים הקשורים למחקר גרעיני.

ב-30 במרץ הגיע מבצע אלסוס להיידלברג, שם נלכדו מדענים חשובים ובהם ולתר בותה, ריכרד קון (Richard Kuhn), פיליפ לנארד ופולפגנג גנטנר (Wolfgang Gentner). חקירתם חשפה כי אוטו האן נמצא במעבדתו בטיילפינגן (Tailfingen), בעוד הייזנברג ומקס פון לאואה (Max von Laue) נמצאים במעבדתו של הייזנברג בהכינגן, וכי כור האורניום הטבעי הניסיוני שבנה צוותו של הייזנברג בברלין הועבר להייגרלוך. מנקודה זו ואילך, המוקד הראשי של מבצע אלסוס היה על מתקנים גרעיניים אלה באזור וירטמברג. הייזנברג הוברח מאורפלד ב-3 במאי 1945 במבצע אלפיני בשטח שעדיין היה בשליטת כוחות עילית גרמניים. הוא נלקח להיידלברג, שם, ב-5 במאי, פגש את גאודסמיט לראשונה מאז הביקור באן ארבור ב-1939. גרמניה נכנעה יומיים בלבד לאחר מכן. הייזנברג לא ראה שוב את משפחתו במשך שמונה חודשים, שכן הוא הועבר דרך צרפת ובלגיה והוטס לאנגליה ב-3 ביולי 1945.

### 1945: התגובה להירושימה

תשעה מהמדענים הגרמנים הבולטים שפרסמו דוחות ב-Nuclear Physics Research Reports כחברים ב"מועדון האורניום" נלכדו על ידי מבצע אלסוס ונכלאו באנגליה במסגרת מבצע אפסילון (Operation Epsilon). עשרה מדענים גרמנים, ובהם הייזנברג, הוחזקו בפארם הול (Farm Hall) בגודמנצ'סטר (Godmanchester) שבאנגליה. המתקן היה בית מבטחים של מודיעין החוץ הבריטי MI6. במהלך מעצרם הוקלטו שיחותיהם. שיחות שנחשבו בעלות ערך מודיעיני תומללו ותורגמו לאנגלית. התמלילים שוחררו בשנת 1992. ב-6 באוגוסט 1945 למדו המדענים בפארם הול מדיווחים בתקשורת כי ארצות הברית הטילה פצצת אטום בהירושימה, יפן. בהתחלה הייתה אי-אמון בכך שנבנתה והוטלה פצצה. בשבועות שבאו לאחר מכן דנו המדענים הגרמנים כיצד ייתכן שארצות הברית בנתה את הפצצה.

תמלילי פארם הול קובעים כי הייזנברג, יחד עם פיזיקאים אחרים שהיו עצורים בפארם הול, כולל אוטו האן וקרל פרידריך פון וייצזקר, שמחו שבעלות הברית ניצחו במלחמת העולם השנייה. הייזנברג אמר למדענים אחרים כי מעולם לא שקל פצצה, אלא רק כור אטומי להפקת אנרגיה. המוסריות של יצירת פצצה עבור הנאצים נידונה אף היא. רק מעטים מהמדענים הביעו זעזוע מהפרספקטיבה של נשק גרעיני, והייזנברג נזהר בלדונו בעניין. על כישלונה של תוכנית הנשק הגרעיני הגרמנית לבנות פצצת אטום, העיר הייזנברג: "לא היה לנו את האומץ המוסרי להמליץ לממשלה באביב 1942 להעסיק 120,000 איש רק כדי לבנות את הדבר הזה".

כאשר בשנת 1992 הותר הפרסום של התמלילים, הפיזיקאי הגרמני מנפרד פופ (Manfred Popp) ניתח את התמלילים, כמו גם את התיעוד של "מועדון האורניום". כשהמדענים הגרמנים שמעו על פצצת הירושימה, הודה הייזנברג כי מעולם לא חישב את המסה הקריטית של פצצת אטום לפני כן. כ שניסה לאחר מכן לחשב את המסה, הוא עשה שגיאות חישוב חמורות. אדוארד טלר והנס בתה (Hans Bethe) ראו את התמליל והגיעו למסקנה כי הייזנברג עשה זאת לראשונה מכיוון שעשה שגיאות דומות לאלו שלהם. רק שבוע מאוחר יותר נשא הייזנברג הרצאה על הפיזיקה של הפצצה. הוא זיהה נכונה היבטים חיוניים רבים, כולל היעילות של הפצצה, אם כי עדיין הערך אותה בחסר. עבור פופ, זוהי הוכחה לכך שהייזנברג לא הקדיש זמן לנשק גרעיני במהלך המלחמה; להפך, הוא נמנע אפילו מלהרהר בכך.