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Von Sehstrahlen und schwebenden Bildern

Die Dinge senden uns Abbilder zu, eine unsichtbare Welt steht zwischen dem Auge und den Gegenständen – die ersten Theorien des Sehens waren oft recht wilde Mutmaßungen. Erst anatomische Untersuchungen und experimentelle Optik ermöglichten eine wirklichkeitsnahe Erklärung.

Schematische Darstellung der Lichtbrechung. Aus: Zur Farbenlehre von Goethe (1812). Kolorierte Kupfertafel (Tafel X).


Unsere Augen reagieren auf den Einfall von Licht. Heute ist das eine simple Tatsache. Und doch war dieses Wissen Jahrtausende lang alles andere als selbstverständlich. Viele Generationen von Denkern, Philosophen und Forschern zerbrachen sich den Kopf bei dem Versuch, die Funktionsweise des Sehens zu ergründen. Nicht nur aus Forscherneugier, sondern um ein ganz fundamentales Problem des menschlichen Daseins zu klären. Denn klar war: Mit den Augen nehmen wir unsere Umwelt wahr. Wenn wir aber nicht genau wissen, wie sie dies tun, können wir auch nicht sicher sein, ob unsere Umwelt in Wirklichkeit das ist, wofür wir sie aufgrund des Gesehenen halten. Und damit steht oder fällt alles, was wir über uns und die Welt zu wissen glauben.

Schon der griechische Philosoph Demokrit (460 bis 371 vor Christus), ein Vorsokratiker, beschäftigte sich intensiv mit dieser Frage – und fand eine ungewöhnliche Erklärung für unser Sehvermögen. Er ging davon aus, dass sich von jedem Gegenstand farbige Abbilder lösen, durch die Luft wandern und in unser Auge gelangen, von wo sie unsere Seele erreichen, die sie dann erkennt.

Durch den Raum schwirrende Bilderchen

So merkwürdig sich diese Theorie heute auch anhört, für Demokrit klang sie logisch. Denn er vertrat den Materiellen Atomismus, eine für damalige Verhältnisse sehr moderne Schule. Die ging davon aus, dass alle Gegenstände und auch wir selbst nicht aus Feuer, Wasser, Erde, Luft oder einer Mischung aus all diesem bestünden – wie es viele bedeutende Philosophen vor ihm geglaubt hatten –, sondern aus winzigen, unteilbaren Einheiten, den Atomen. Wie diese genau beschaffen waren, konnten die Griechen der Antike zwar nicht wissen. Aber sie nahmen an, dass die Atome sich mehr oder weniger frei bewegen und sich darum auch von den Dingen lösen konnten, ähnlich wie eine Schlange, die sich häutet. Als kleine Bilderchen, die „Eidola“, flögen sie von den Dingen selbst ausgesandt durch den Raum und gäben sich so dem Auge zu erkennen. Beweis für diese These sei, dass man Objekte auf der Hornhaut des Betrachters als Spiegelbild sehen könne.

Ds Wichtigste in Kürze

  • Demokrit glaubte, dass wir sehen, weil sich Abbilder von den Gegenständen lösen und in unser Auge gelangen.
  • Platon vertrat die Theorie eines Sehstrahles, den unsere Augen aussenden.
  • Aristoteles erkannte die Rolle des Lichtes: Nur dank Reflexionen des Lichtes können wir sehen.
  • Alhazen verbesserte die Theorie von Aristoteles und belegte sie mit optischen Experimenten.
  • Kepler schließlich fügte Erkenntnisse der Anatomie mit optischen Gesetzen zusammen und erklärte so den Sehprozess.

Platons Höhlengleichnis

In seinem Höhlengleichnis lässt Platon den Philosophen Sokrates eine Geschichte erzählen: Was wäre, wenn eine Gruppe von Menschen in einer Höhle so festgekettet wäre, dass sie nur auf eine Wand blicken könnten, die von einem Feuer hinter ihnen erleuchtet wäre? Zwischen dem Feuer und den Gefangenen ginge eine Mauer entlang, hinter der Menschen Gegenstände hin und her tragen. Die Gefangenen aber sähen nur die Schatten der Gegenstände, die über die Mauer hinaus ragen – und würden sie als etwas Reales, als Gegenstände ihrer kleinen Welt wahrnehmen. Erst wenn einer der Gefangenen befreit werde und sich umdrehe, könne er erkennen, dass er in einer Scheinwelt gelebt habe und die wahre Welt draußen im Sonnenschein stattfinde – und könne nie wieder zu dem Zustand der Unwissenheit zurück finden, in der er all die Jahre seines Lebens verbracht habe.

Die Eidola-Theorie jedoch fand keineswegs bei allen Denkern der Zeit Anklang. Denn manche Alltagserfahrungen konnten mit ihr nicht erklärt werden. Wie schrumpfen die Eidola großer Gegenstände auf ein Maß, das in die Augen passt? Wie ist es möglich, dass die Eidola eines einzigen Objekts mehrere Menschen gleichzeitig erreichen? Wieso etwa ist es ein Problem, die Nadel im Heuhaufen zu finden – wenn doch die Nadel selbst uns ihr Abbild zusendet und sie uns darum förmlich anspringen müsste? Diese Widersprüche waren der Nährboden für eine konkurrierende Sehtheorie, die zunehmend an Popularität gewann. Die besagte, dass das Auge wie eine Art Scanner arbeitet. Nicht das Licht falle in die Augen hinein, sondern ein Strahl komme aus ihnen heraus und taste die Umwelt im Bereich des Gesichtsfeldes ab – wie ein Blinder die Straße mit seinem Blindenstock.

Das Auge als Scanner? Nein, sagt Aristoteles

Die Idee eines Sehstrahles war in der Antike weit verbreitet und fand auch bei Philosophen wie Platon (428 bis 348 vor Christus) und Euklid (360 bis 280 vor Christus) Anklang – wobei Ersterer in seinem berühmten Höhlengleichnis deutlich machte, dass er dem Sehen grundsätzlich misstraute (siehe Info-Box). Das Bild vom Auge als Scanner beruhte unter anderem auf dem Gedanken, dass die Form der Sinnesorgane ihrer Funktion geschuldet ist: Das Ohr mit seiner auffällig geschlungenen Muschel sieht aus wie ein passiver Trichter, gemacht, um Töne zu empfangen. Das Auge aber ist beweglich, eilt geradezu hektisch von einem Punkt zum anderen. Da lag es nahe zu glauben, dass es nicht nur etwas empfängt, sondern aktiv dafür sorgt, etwas zu sehen: Mit einem Strahl, der die Dinge abtastet.

Aristoteles (384 bis 322 vor Christus) Aristoteles – Das Gehirn als Kühlsystem konnte sich mit dieser Idee nicht anfreunden. Es sei unvernünftig zu denken, dass die Augen einen Strahl aussenden, der bis zu den Sternen reicht, so der Schüler Platons. Wenn die Augen Licht produzieren würden wie sein Lehrer sagt, dann müsste man auch in einem vollkommen dunklen Raum sehen können. Aristoteles beließ es aber nicht bei der Kritik, sondern entwickelte eine eigene Theorie, die weniger auf Vorstellungen als auf Beobachtungen fußte. Die Kernaussagen lauteten:

  • Nur leuchtende Objekte wie das Feuer und die Sonne produzieren Licht.
  • Licht ist immateriell.
  • Licht wird von Gegenständen reflektiert und wenn dieses reflektierte Licht die Augen trifft, findet Sehen statt.
  • Das Medium, durch das Licht wandert, ist unsichtbar.

Wie man heute weiß, kam Aristoteles damit der Wahrheit schon ziemlich nahe. Beweisen konnte er seine Thesen, die letztlich die der modernen Optik bilden, aber nicht. Es sollte noch Jahrhunderte dauern, bis ein arabischer Gelehrter den entscheidenden Schritt über die Theorien der Antike hinaus machte: Abu Ali al-Hasan Ibn al-Haitham, den die europäischen Geschichtsschreiber später schlicht „Alhazen“ (ca. 965 bis 1039) tauften.

Experimente widerlegen die Sehstrahl-Theorie

Seine Leidenschaft für die Naturwissenschaften erwuchs früh, doch zunächst arbeitete der in Basra geborene Alhazen als Beamter in Bagdad. Um an der Regulierung des Nils mitzuwirken, wurde er von Kalif al-Hakim an dessen Hof nach Kairo berufen, wo er es bis zum Amt eines Wesirs brachte. Macht und Karriere waren Alhazen aber nicht wichtig. Er wollte forschen, befürchtete aber, sich den Zorn seines Dienstherrn zuzuziehen. Um dem zu entgehen, täuschte er vor, geisteskrank zu sein. Mit Erfolg: 1011 wurde er im Haus der Weisheit unter Arrest gestellt. Nach al-Hakims Tod im Jahr 1021 gesundete Alhazen auf wundersame Weise. Die Zeit hatte er genutzt, um ein umfangreiches Kompendium des Sehens zu schaffen, das Gelehrten zahlreicher Länder wegen seiner Inhalte und auch wegen der wissenschaftlichen Vorgehensweise jahrhundertelang als Maßstab galt.

Alhazen analysierte den anatomischen Aufbau des Auges, erkannte die Bedeutung der Linse und widerlegte mit zahlreichen Experimenten die antike Sehstrahl-Theorie. Ein Seheindruck entstehe, weil von einem Objekt kommendes Licht ins Auge falle, so die Quintessenz seiner Ergebnisse. Dazu müsse das Objekt entweder selbst leuchten oder beleuchtet werden, es dürfe nicht transparent sein und müsse sich im Gesichtsfeld des Betrachters befinden. Außerdem konstatierte er, dass Objekte Licht in alle Richtungen ausstrahlen würden. Sätze, die noch heute in jedem Lehrbuch stehen können.

Sein “Book of Optics”, das als eines der einflussreichsten Werke in der Geschichte der Physik gilt, beschäftigt sich auch mit den neuropsychologischen Aspekten der visuellen Wahrnehmung. Sehen finde weniger in den Augen als im Gehirn statt – und was man sehe, werde von persönlichen Erfahrungen beeinflusst, meinte Alhazen. Er beschrieb optische Gesetze, entschlüsselte die Grundprinzipien der Lichtreflexion, leistete durch Versuche mit Linsen entscheidende Vorarbeit für die Brille und baute mit Hilfe von Kerzen, eines abgedunkelten Raums und einer Zwischenwand, in die er kleine Löcher machte, eine “Camera obscura”, welche die Bilder umgekehrt an die hintere Wand warf. Was er damit anfangen sollte, wusste der schlaue Araber allerdings nicht. Warum sollten Abbilder der Außenwelt verkehrt herum in unserem Auge ankommen? Das ergab für ihn einfach keinen Sinn. Bis Johannes Kepler dieses Mysterium dann aufklären konnte, vergingen rund 600 Jahre.

So lange galt Alhazens “Buch der Optik”, das im 12. und 13. Jahrhundert aus dem Arabischen ins Lateinische übersetzt wurde, als Standardwerk. Das Buch enthält auch die älteste erhaltene Darstellung des menschlichen Sehsystems. Bis in die Renaissance hinein entwickelten sich keine wirklich neuen Sehtheorien – obwohl die angewandte Optik zu dieser Zeit wichtige Fortschritte machte, Leonardo da Vinci (1452 bis 1519) Leonardo da Vinci – Künstler und Wissenschaftler heimlich anatomische Studien betrieb und die Malerei die Perspektive entdeckte.

Zusammenführung von Anatomie und Optik

Erst der Astronom Friedrich Johannes Kepler (1571 bis 1630) schaffte es, die Erkenntnisse aus anatomischen Studien und die Ergebnisse optischer Experimente zu einer neuen, sinnvollen Erklärung des Sehprozesses zusammenzuführen. Seine Annahmen entsprechen in vielerlei Hinsicht unserem heutigen Verständnis. Ein Kuriosum ist, dass der sehr religiöse Kepler Licht für die Essenz Gottes hielt. Gott habe der materiellen Welt Licht hinzugefügt, damit die Menschen mit ihm nicht nur spirituell, sondern auch physisch in Verbindung treten könnten, glaubte er. Und das Auge sei das Mittel, um mit dem spirituellen Wesen des Lichts zu interagieren. Trotz dieser wenig wissenschaftlichen Ansichten war es Kepler, der als erster die Entstehung eines Abbilds der Außenwelt im Auge weitgehend korrekt beschrieb.

Hilfestellung bekam er dabei durch ein kleines Bändchen von Felix Platter (1536 bis 1614). Der in Basel tätige Arzt hatte in seinem Werk “De Corporis Humani Structura” anatomische Tafeln veröffentlicht – unter anderem vom Aufbau des Auges. Darin zeichnete er nicht nur den optischen Apparat mit Hornhaut, Pupille und Linse ein, sondern auch die Netzhaut, die ihn mit ihren vielen kleinen Äderchen stark an das Innere einer Weintraube erinnerte. Eine ungewöhnliche Entdeckung, die es Kepler ermöglichte, seine optischen Experimente auf die Anatomie des Auges zu übertragen: Das Licht, so sagte er, treffe auf die Augenlinse und werde dort so gebrochen und gebündelt, dass auf der Netzhaut ein umgekehrtes verkleinertes Abbild der Außenwelt erscheine – das dann vom Verstand weiter bearbeitet werde. René Descartes (1596 bis 1650) René Descartes – Vater der Leib-Seele-Theorie, der mit dem Satz “ich denke, also bin ich” in die Geschichte einging, blieb es vorbehalten, Keplers Vorstellung zu beweisen.

Doch weder der französische Philosoph und Naturwissenschaftler noch Isaac Newton, der mit seinen Erkenntnissen über die Eigenschaften des Lichts entscheidend zum Verständnis der visuellen Wahrnehmung beitrug, konnten die Frage klären, die Johannes Kepler umtrieb: Wie wird das in der Netzhaut auf dem Kopf stehende Bild der Außenwelt vom Verstand wieder gerade gerückt? “Seine Ausrüstung hilft dem Optiker nicht über diese erste unüberwindliche Mauer hinweg, der er im Auge begegnet”, schrieb Kepler ratlos in einem Brief. Fünf Jahrhunderte später sind Keplers Nachfolger tief in die Geheimnisse des visuellen Systems eingedrungen. Sie wissen, dass wir nicht das kopfstehende Netzhautbild per se wahrnehmen. Welche Orientierung das Netzhautbild gegenüber der Schwerkraft hat, spielt für die Signalverarbeitung ebenso wenig eine Rolle, wie die Rechtschreibkorrektur eines Textprogrammes, wenn man den Bildschirm umdreht. Vielmehr erzeugen die Zellen der Netzhaut Signale, die von mehreren Hierarchien spezialisierter Nervennetze interpretiert, gefiltert und letztlich mit Bedeutung versehen werden.

Die Feinstrukturen des visuellen Systems mussten Kepler und seinen Vorgängern verborgen bleiben. Mit Techniken, von denen die Pioniere der Sehforschung nicht einmal träumen konnten, stoßen Wissenschaftler buchstäblich in neue Dimensionen vor. Und noch immer ist die Geschichte der Sehtheorien nicht zu Ende geschrieben.

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3D-Gehirn
Infos zum Beitrag
Datum:
10.10.2011
Wissenschaftliche Betreuung:
Prof. Dr. Lothar Spillmann
Prof. Dr. Michael Bach
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