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1929年，海森伯曾到美国、日本、印度讲学，1930年出版了以芝加哥讲演稿为基础的《量子论的物理原理》一书，宣扬量子论的“哥本哈根精神”，在国际物理学界有广泛的影响。他成了以被尔为首的哥本哈根学派的主要代表人物。
1932年5月，英国物理学家查德威克发现了中子。接着海森伯和两个苏联物理学家分别独立地提出了原子核由中子和质子组成的理论。就在这一年，海森伯因创建量子力学（矩阵力学）和提出测不准关系而获得诺贝尔物理学奖。
1933年，希特勒上台，给德国的科学带来深重的灾难。许多杰出的犹太族科学家受到残酷迫害，纷纷逃亡。莱比锡的科学队伍也逐渐离散。爱因斯坦创建的相对论被当作犹太人的物理学险遭取缔。“运动物体中时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨”。1937年，海森伯因支持相对论也遭到纳粹分子的攻击。那时，海森伯正从事宇宙线的研究。他根据相对论，认为1937年发现的μ子的蜕变时间应当同它的速度有关。实验结果证实了这个预言，“从而为〔大学中〕开设相对论课程开辟了道路”，所以海森伯“对μ子总是怀有感激之情”。
1942年，海森伯担任柏林大学教授并兼任威廉皇家物理研究所所长。在这时期他参加领导研制重水型原子反应堆的工作。在二次大战期间，他发表了《原子核物理学》（1943年）一书，编辑出版了《宇宙辐射论文集》（1943年）。1945年5月，他和德国其他一些科学家一道被美国军队俘至英国，到1946年才获释返回西德。
二次大战以后，海森伯积极为恢复发展西德的科学事业而努力。他参加了重建威廉皇家学会（1948年以后改名为普朗克学会）及所属研究机构的工作，担任哥丁根大学教授兼普朗克物理研究所所长。1958年以后到1970年，他担任慕尼黑大学教授兼普朗克物理和天体物理研究所所长。自1949年以后，他曾先后担任德意志科学研究委员会（DFR）主席、德意志科学研究联合会（DFG）主席、洪堡基金会主席、普朗克学会副主席、西德政府原子问题部顾问等职。
在科学研究工作方面，海森伯自1957年以后，主要从事基本粒子统一场论的研究。最初他和泡利合作。但到第二年泡利就放弃了这项艰巨的工作并于年终因病逝世。以后，海森伯就和青年物理学家迪尔（海森伯和泰勒的学生〕一起从事这项工作。海森伯坚持这项工作直到他去世之日。在这方面海森伯发表了《基本粒子理论导论》（1962）、专著《基本粒子统一场论导论》（1966）。
海森伯在基本粒子统一场论中把所有的基本粒子都看成是同一的原始物质的不同形象（海森伯认为这种说法和赫拉克利特的哲学有相同之处）。原始物质可以用旋量场表示，并满足一个叫做宇宙方程的非线性方程。他希望从解这个方程能推导出各种基本粒子的存在和性质。他在
1970年发表的《物理学的终结？》一文中谈到：“基本粒子物理学有必要寻求一个新的更加全面的理想形式，它应当把相对论和量子论作为极限情况，它应该说明复杂的基本粒子谱，就象量子力学能够说明比如铁原子的复杂光谱一样。”他在《基本粒子统一场论导论》中指出：基本方程并不完全决定所有其他物理部门的定律。例如，电磁定律、放射性和引力还同宇宙模型、大尺度宇宙结构这些有关基态的边界条件有关。而且宇宙方程也不可能包含与生命有关的复杂现象。所以，海森伯认为，建立基本粒子统一场论并不意味着物理学的终结。
1975年3月5日，海森伯在德意志物理学会年会上作了题为《基本粒子是什么？》的报告。（见本书第185－199页。）他认为，到了基本粒子层次，“基本粒子和复合粒子的区分从此根本消失了。”“分割”与“组合”等词已失去了意义。他反对把电子、质子等又看成是小行星系那样的复合系统，他反对近年来取得相当进展的“夸克”假说。他强调探索物质的基本的动力学。海森伯和迪尔的这条研究路线是否能够取得成功？这只能有待于今后关于基本粒子的理论研究和科学实验来作出恰当的结论。
1971年海森伯70寿辰时，他的学生、好友、天体物理学家和哲学家冯·威札克尔评价了他一生的工作：“他的物理学工作有两个主题：量子力学和统一场论。量子力学象是一次胜利凯旋的进军，统一场论则是一场消耗实力的阵地战。”海森伯在晚年虽然不象青年时代那样取得丰硕的成果，但他在统一场论探索性研究中不畏艰险、勇于登攀的追求科学真理的精神是值得我们敬仰和学习的。
海森伯不仅是一位物理学家，也是一位哲学家。他十分重视古典哲学的钻研和物理学哲学问题的探讨。他曾说：“一个人没有希腊自然哲学的知识，就很难在现代原子物理学中作出进展。”他写了不少有关物理学哲学问题的著作，其中主要的有：《自然科学基础的变迁》（1935年初版，1973年第10版，英译本改名为《原子核科学的哲学问题》，中译本名为《严密自然科学基础近年来的变化》，上海1978年版，比原书增加了几篇重要的文章），《当代物理学的自然观》（1955年初版，英译本改名《物理学家的自然观》），《物理学和哲学——现代物理学中的革命》（1958年初版，中译本即本书），《部分与整体》（1969年初版，英译本改名为《物理学和其他——会晤和对话》），〈跨越界限〉（1971年初版）等。
海森伯对哲学问题的探索是和他从事的原子物理学研究密切结合的。在创建和发展量子力学的时期，他的哲学观点受到马赫的实证论的深刻影响。海森伯的怀疑的经验论倾向对他反对唯心主义的先验论、反对十九世纪支配物理学界的机械唯物论观点起了积极作用。他反对把原子和亚原子客体看成是僵硬不变的、惰性的微小粒子，而是具有波粒二重性那样的东西。他认为不能要求经典物理学的机械决定论规律在原子世界继续有效，这些都是有积极意义的。他强调人必须能动地通过宏观仪器对微观客体的变革（他称之为本可控制的干扰）来认识微观客体，人必须用数学语言补充日常生活（宏观世界）中形成的语言概念来描述微观世界的面貌，这些对发展哲学的认识论也是有启发性的。
但是，海森伯进一步认为：“在允许把世界区分为主体和客体（观察者和被视察者）从而明确地表述因果律”这一点上，“量子论开始遇到了困难”。“我们已经把一个主观论因素引入了这个理论”，“所发生的事情依赖于我们观测它的方法，或者依赖于我们观测它这个事实。”（本书第18页）“因果律在量子论中不再适用”，“因果性只有有限的适用范围。”（本书第48、50页）事实上，海森伯有时也不得不承认“自然界先于人类而存在”，“自然界在某种程度上独立干人类而存在”，可是他仍然强调人先于自然科学而存在，自然规律的概念不可能是完全客观的。在这里，海森伯忽略了，经过实践检验证实的自然规律，是具有客观实在性的，是不以人的意志为转移的。单个微观客体的运动，虽不服从决定论规律，但大量微观客体的系综，或单个微观客体的波函数，仍服从决定论规律。这说明，单个微观客体的运动虽具有一定偶然性，但仍受到薛定谔方程的决定论规律所要求的必然性的制约，所以，对于微观客体，不能说不存在因果关系，只是不存在决定论的因果关系罢了。
在五十年代末，海森伯开始研究基本粒子统一场论，他的哲学观点在这一时期也有相应的转变，由经验论转向唯理论，由马赫的实证论转向柏拉图的客观唯心论。正如他在本书中所写：“量子论的哥本哈根解释决不是实证论的。因为实证论所根据的是观察者的感官知觉，以此作为实在的要素，而哥本哈根解释却把可以用经典概念描述的（即实际的）事物和过程看作是任何物理解释的基础”。（本书第93页）但他并没有从实证论转向唯物论，因为他认为不能把唯物主义的本体论“外推到原子领域中去”（本书第93页）。他说：“但是近几年来的发展事实上非常清楚地再现了——如果我们一定要和古代哲学作比较的话——从德谟克利特转向柏拉图的转移。正是普朗克的发现实际上给我们这样一种启示，即物质的原子结构在自然定律中能够被理解为数学结构的表示。”
结合基本粒子统一场论的研究，海森伯对一与多、単纯与复合、组合与分割、整体与部分、质料与形式等一系列对立的基本哲学范畴作了深入的探讨，是富有启发性的。他的主张物质统一性的观点接近千赫拉克利特。他反对德谟克利特的原子论观点，而倾向于柏拉图和亚里斯多德的物质无限可分的观点。但是海森伯在反对德谟克利特的机械的原子论的同时，把他的唯物论也给否定了，而倾向于柏拉图的客观唯心论，把理念、形式看得高于物质或物质的存在物，说什么“物自体最终是一种数学结构”（本书第50页），“基本粒子最后也还是数学形式’（本书第35页），“原始的东西不再是物质的客体，而是形式，是数学对称性，……是理智的内容，……‘意义是万物之始’——逻各斯。”我们不否认，在特定的条件下，形式对内容、精神对物质可以起决定的、主导的作用。但由此夸大到把形式、精神看作是万物的原始，那就把形式与内容、精神与物质的根本关系给颠�