海森堡的名字一直都和量子力學理論聯繫在一起，這一理論發表時他年僅23歲，他也因爲提出這一理論及其應用，獲得了1932年度的諾貝爾物理學獎。
海森堡提出的新理論，是完全基於對原子輻射的觀察，他認爲，在某一個給定的時間點，一個電子所處的位置是無法確定的，也無法跟蹤它的軌跡，所以玻爾假定的電子軌道並不存在
諸如位置、速度等力學量，無法用通常的數字來描述，但可以用抽象的數學結構即矩陣來表達，海森堡用矩陣形式給出了他的新理論。
此後，海森堡又提出了著名的“不確定性原理”，在一個量子力學系統中，一個運動粒子的位置和它的動量不可被同時確定。
在萊比錫期間，海森堡爲原子核物理學做出了重要貢獻，爲基本粒子理論引入了內部對稱量子數（1932年，1933年），發展了一種鐵磁性理論（1928年），和沃爾夫岡·泡利對量子場論進行了開創性研究工作。
海森堡和約翰·惠勒同爲S矩陣（1942年，1944年）之父，他很早就研究了量子場論的基本長度模型（1938年）。
1940年代，他還研究了宇宙射線及其產生的離子碎片，導致不久後在英國發現了第一個介子。
1957年起，海森堡的研究興趣轉向了等離子體物理和高熱原子核反應問題，並與日內瓦國際原子物理研究所緊密合作，他擔任該研究所的科學政策委員會主席，並一直是該委員會的成員。
在他於1953年成爲洪堡基金會主席後，爲基金會做了很多促進工作，他邀請各國科學家來德國，並協助他們在德國開展研究工作。
1953年起，他的理論工作偏向基本粒子的統一場論，這對於他來說，是理解基本粒子物理學的關鍵。
物理方面的貢獻海森堡一生在理論物理學上作出了重要成就，而他最大的貢獻無疑是創 建矩陣力學。在這之前，他在關於流體力學、反常塞曼效應、分於模型以及 色散理論等方面做了大量研究工作。
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