Was sehen wir eigentlich? Licht!

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Autor: Arvid Leyh

Was ist Licht eigentlich? Das klingt nach einer simplen Frage, doch die Physik kennt zwei völlig gegensätzliche Antworten.

Wissenschaftliche Betreuung: Jan Kremers

Veröffentlicht: 14.08.2011

Das Wichtigste in Kürze
  • Physikalisch ist Licht sowohl Welle als auch Teilchen. Es gehört zur elektromagnetischen Strahlung.
  • Farben können in mathematischen Räumen dargestellt, addiert und subtrahiert werden, die Summe aller Farben ergibt Weiß.

In den Augen von Sir Isaac Newton (1643−1727) war Licht korpuskular – ein Strom von Teilchen, wie ihn – sehr grob verglichen – auch ein Maschinengewehr aussendet. Newtons Ansicht war nicht unumstritten, doch die Meinung des größten Physikers seiner Zeit hatte Gewicht und so galt fortan: Das Licht besteht aus Teilchen. Bis zum Jahr 1802. Dann lieferte Thomas Young (1773 – 1829) mit einem Experiment den Nachweis für eine andere These, die von Christian Huijgens schon 1690 aufgestellt, aber wenig beachtet worden war: Young schickte Licht durch zwei Spalten einer Blende. Auf dem Beobachtungsschirm dahinter entstand ein so genanntes Interferenzmuster – eine Überlagerung, wie wir sie auch von Wasserwellen kennen. Diese Interferenz bewies eindeutig die Wellennatur des Lichts und die Frage schien erneut beantwortet.

Allerdings war da noch dieses Problem: Wenn Licht aus Wellen besteht, wie kann dann kurzwelliges Licht aus einer Metallplatte Elektronen herauslösen? Über diesen so genannten photoelektrischen Effekt erklärte kein geringerer als Albert Einstein (1879−1955) erneut die Teilchennatur des Lichts. Und erhielt insbesondere hierfür den Nobelpreis – nicht etwa für seine Relativitätstheorie. Diese winzigen Lichtteilchen lassen sich nach Max Planck (1858−1947) als kleinst-​mögliche Energiepakete denken. Sie werden als Photonen bezeichnet.

Licht ist also Welle und Teilchen. Aus diesem Dualismus entstanden der Physik einige Probleme, die erst mit dem Aufkommen der Quantenmechanik zu lösen waren. Doch da diese, laut einem berühmten Zitat des Quantenphysikers Richard Feynman (1918−1988), von niemandem verstanden wird, ist hier nicht der Ort, sie zu besprechen. Vereinfacht kann man sagen: Licht reist als Welle und kommt als Teilchen an.

Auge

Augapfel/Bulbus oculi/eye bulb

Das Auge ist das Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Lichtreizen – von elektromagnetischer Strahlung eines bestimmten Frequenzbereiches. Das für den Menschen sichtbare Licht liegt im Bereich zwischen 380 und 780 Nanometer.

Wellenbewegung

Auf die Reise geschickt – emittiert – werden Lichtwellen von strahlenden Objekten wie einer Kerze oder der Sonne. Ihre Reisegeschwindigkeit ist bekanntermaßen hoch, für die Distanz Erde-​Mond braucht sie gerade einmal 1,3 Sekunden. Das für den Menschen sichtbare Licht umfasst Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometern, doch das ist nur ein kleiner Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung. Unterhalb dieses Ausschnitts finden sich beispielsweise Mikro– und Radiowellen, oberhalb davon Röntgen– und Gammastrahlen.

Elektromagnetische Strahlung bewegt sich in Wellen – durchaus vergleichbar den Wellen auf der Wasseroberfläche. Und genau wie diese hat die elektromagnetische Strahlung eine bestimmte Wellenlänge – die Distanz zwischen zwei Wellentälern. Die Wellenlänge von Gammastrahlung beträgt nur 0,01 Nanometer, Radiowellen können eine Wellenlänge von bis zu einem Kilometer erreichen. Je länger die Welle der elektromagnetischen Strahlung, umso weniger Energie transportiert sie. Die niedrigen Farbfrequenzen Orange und Rot haben relativ wenig Energie, das hochfrequente Blau hat viel Energie – auch wenn wir gemeinhin sagen, rote Farbtöne seien warm, blaue eher kalt. Rotes Licht wird durch Pigmente in der Haut absorbiert, die ein Gefühl von Wärme erzeugen. Kurzwellige Strahlung (wie z.B. UV-Licht) verursacht aber Sonnenbrand und Hautkrebs.

Diese Frequenz ist ein weiteres Charakteristikum einer elektromagnetischen Welle. Sie legt fest – um im Bild des Wassers zu bleiben – wie viele Wellen pro Sekunde auf den Strand treffen. Doch anders als der variable Seegang ist bei Licht die Geschwindigkeit stets gleich hoch – die Lichtgeschwindigkeit –, weshalb die Wellenlänge einer Farbe immer mit einer bestimmten Frequenz einhergeht. Ein weiteres Charakteristikum ist die Amplitude, entsprechend der Differenz zwischen dem Gipfel der Welle und dem Wellental. Sie definiert die Intensität einer Farbe.

Objekte im Licht

Wir sehen die Gegenstände der Welt, weil sie Licht reflektieren. Handelt es sich zum Beispiel um ein blaues Objekt, absorbiert dieses die niedrigfrequenten Wellenlängen des Lichts, während solche um 430 Nanometer zurückgeworfen werden. Fallen diese reflektierten Wellen auf unsere Netzhaut, werden dort Zapfen vom S-​Typ aktiv – die Blaurezeptoren, die für kurzwelliges Licht zuständig sind (das „S“ steht für short). Neben diesem Blaurezeptor gibt es noch solche für Grün und Rot, also M(edium)- und L(ong)-Zapfen. Das Farbensehen entsteht also durch ein Zusammenspiel der unterschiedlichen Erregbarkeit der Zapfen-​Typen. Doch wirklich lichtempfindlich sind die Zapfen nicht. Daher werden mit abnehmender Helligkeit die weitaus lichtempfindlicheren Stäbchen aktiv. Diese wiederum können Farbfrequenzen nicht verarbeiten, und so sind nachts alle Katzen grau. Bei Tag wie bei Nacht

Gegenstände können Licht auch absorbieren – was als Gegenteil der Emission betrachtet werden kann. Mit dem Licht wird auch dessen gesamte Energie an das Objekt abgegeben. Das funktioniert besonders gut bei dunklen Objekten – weshalb schwarze Kleidung im Sommer nicht zu empfehlen ist. Ganz ähnlich wird auch die Rhodopsin-​Kaskade in den Stäbchen und Zapfen der Netzhaut ausgelöst, wobei die Energie der Photonen dort in eine chemische Reaktion umgewandelt wird, was als ‚Erregung’ bezeichnet wird.

Nicht zuletzt kann Licht gebrochen werden, ein Phänomen, das besonders Newton beschäftigte: Ihm war aufgefallen, dass das weiße Licht der Sonne durch Prismen in Spektralfarben aufgebrochen wird – was 1704 zu seinem Hauptwerk über die Optik führte. Interessanterweise erhält man wieder weißes Licht, wenn man die Spektralfarben über ein weiteres Prisma wieder zusammenführt – weißes Licht besteht also tatsächlich aus den verschiedenen Wellenlängen des Farbspektrums.

Nur am Rand sei hier erwähnt, dass dem Dichterfürsten Goethe (1749−1832) die Newton´sche Farbenlehre arg missfiel, er versuchte sich in einer eigenen Farbenlehre, die auf nur zwei Grundfarben beruhte, und die Gelb beispielsweise als „prächtig und edel“ beschrieb. Auch er fühlte Blau als kalt, doch obwohl poetischer formuliert – physikalisch konnte sich seine Theorie nicht durchsetzen.

Zapfen

Zapfen/-/retinal cones

Die Zapfen sind eine Art von Fotorezeptoren der Netzhaut. Die drei unterschiedlichen S-​, M– und L-​Zapfen sind jeweils durch kurz-​, mittel und langwellige Frequenzen des sichtbaren Lichts erregbar und ermöglichen so Farbsehen.

Helligkeit

Helligkeit/-/brightness

Die Helligkeit ist eine der Wahrnehmungsdimensionen des Sehens. Sie beeinflußt die Größe der Pupille.

Stäbchen

Stäbchen/-/rod cells

Die Stäbchen sind Lichtsinneszellen mit hoher Lichtempfindlichkeit. Sie reagieren schon auf schwaches Licht und sind so für das skotopische Sehen, das Schwarz-​Weiß-​Sehen und das Sehen in der Dämmerung zuständig. Die Stäbchen liegen gehäuft in den äußeren Bereichen der Netzhaut und vermitteln daher keine große Sehschärfe.

Netzhaut

Netzhaut/Retina/retina

Die Netzhaut oder Retina ist die innere mit Pigmentepithel besetzte Augenhaut. Die Retina zeichnet sich durch eine inverse (umgekehrte) Anordnung aus: Licht muss erst mehrere Schichten durchdringen, bevor es auf die Fotorezeptoren (Zapfen und Stäbchen) trifft. Die Signale der Fotorezeptoren werden über den Sehnerv in verarbeitende Areale des Gehirns weitergeleitet. Grund für die inverse Anordnung ist die entwicklungsgeschichtliche Entstehung der Netzhaut, es handelt sich um eine Ausstülpung des Gehirns.
Die Netzhaut ist ca 0,2 bis 0,5 mm dick.

Mathematik und Geometrie der Farbe

Ähnlich wie das weiße Licht sämtliche Farben enthält, lassen sich durch Mischung zweier Farben andere erzeugen. So ergeben Rot + Blau = Violett, Gelb + Blau = Grün und Rot + Gelb = Orange. Klar. Die Farbe hinter dem Gleichheitszeichen wird als Komplementärfarbe bezeichnet. Wie sich am Regenbogen beobachten lässt, gehen die Farben ineinander über, und so lassen sich sämtliche Farbtöne auf einer Fläche darstellen – wie es auch die Farbauswahl am Computer demonstriert.

Erweitert man nun diese Fläche um zwei weitere Komponenten, entsteht ein dreidimensionaler Farbraum. Die erste Dimension wäre der Farbton, die zweite ergibt sich durch den Helligkeitswert – je näher auf allen drei Dimensionen die Farbe an der Null liegt, umso dunkler ist sie. Dort also läge dunkles Violett, während ein Rot mit zunehmender Entfernung vom Nullpunkt zunehmend Rosa wird. Eine letzte Komponente stellt die Sättigung der Farbe dar, die mit Zunahme von Schwarz genauso wie Weiß abnimmt.Die Physik von Licht und Farbe ist offensichtlich eine sehr komplexe Angelegenheit. Glücklicherweise hatte die Evolution einige Milliarden Jahre Zeit, das biologische Leben mit geeigneten Rezeptoren auszustatten. Apropos: eine Milliarde – das ist die Lichtgeschwindigkeit gemessen in Kilometern pro Stunde.

Rezeptor

Rezeptor/-/receptor

Signalempfänger in der Zellmembran. Chemisch gesehen ein Protein, das dafür verantwortlich ist, dass eine Zelle ein externes Signal mit einer bestimmten Reaktion beantwortet. Das externe Signal kann beispielsweise ein chemischer Botenstoff (Transmitter) sein, den eine aktivierte Nervenzelle in den synaptischen Spalt entlässt. Ein Rezeptor in der Membran der nachgeschalteten Zelle erkennt das Signal und sorgt dafür, dass diese Zelle ebenfalls aktiviert wird. Rezeptoren sind sowohl spezifisch für die Signalsubstanzen, auf die sie reagieren, als auch in Bezug auf die Antwortprozesse, die sie auslösen.

Aktualisierung: am 27.01.2017

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