Kein anderer Sinn prägt die Menschheit so sehr, wie der Visuelle. Obwohl das menschliche Auge vielen Einschränkungen unterliegt, ermöglicht es uns doch Einblicke in eine ganz fantastische Welt voller Farben und Schattierungen. Wie das physikalisch funktioniert ist ebenso beeindruckend, wie das Sehen an sich.
Farben sind eines der wundervollsten und dabei unglaublichsten Phänomene dieser Welt. Sie können Gefühle vermitteln, Sachverhalte darstellen, Aufmerksamkeit erhaschen und bilden einen wichtigen Aspekt unserer Kultur. Aber was sind überhaupt Farben und warum sehen wir sie? Es folgt ein kurzer Exkurs in die Physik gefolgt von einem Hauch Biologie und abschliessend Philosophie.
Es fängt alles mit Strahlung an. Viele denken jetzt an Atomkraftwerke, also setzen wir dort an. Strahlung ist offensichtlich gefährlich, ja geradezu tödlich - und das auf eine Weise, die für Menschen völlig unfassbar ist. Man kann sie weder sehen, riechen, hören noch spüren, bis es irgendwann zu spät ist. Aber halt, man muss ja nicht gleich Atomphysiker sein, um mit Strahlung in Kontakt zu kommen. Jeder weiss, was die Sonne anrichtet, wenn man sich im Hochsommer draussen ein paar Stunden auf die Wiese legt und dabei die Sonnencreme vergisst. Was unterscheidet nun diese relativ harmlose Sonnenstrahlung von der eines Atomreaktors?
Um das zu beantworten muss man wissen, dass Strahlung aus elektromagnetischen Wellen besteht und diese (wie alle Wellen) durch zwei Eigenschaften definiert werden: Amplitude und Wellenlänge. Hier ein Beispiel:
Diese Wellen sind alle gleich hoch, das heisst, sie haben dieselbe Amplitude. Was sie unterscheidet ist lediglich die Wellenlänge, also wie dicht sie zusammengedrängt sind. Physikalisch ausgedrückt bedeutet das: je kleiner die Wellenlänge desto grösser die Energiedichte. Das sieht man im Bild sehr deutlich, denn im letzten Beispiel wird fast der ganze Hintergrund verdeckt - dicht gepackte Energie sozusagen. Was heisst das nun für die Strahlung?
Nehmen wir beispielsweise an, die erste Welle wäre Infrarot-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1'000 nm, was sich nach "ziemlich dicht" anhört. Im Vergleich dazu liegt die Mikrowellenstrahlung (ja, die aus der Mikrowelle) bei etwa 10 cm und das ist übrigens genau der Grund, warum sich hinter der Sichtscheibe ein grobmaschiges Lochblech befindet - da der Abstand der Löcher kleiner ist als die Wellenlänge, kann die Strahlung nicht hindurchkommen. Aber zurück zu Infrarot. Diese Art von Strahlung wird auch heute noch bei TV-Fernbedienungen ausgesendet, wenn man einen Knopf drückt (zumindest solange die Batterie noch etwas hergibt). Der Fernseher wiederum verfügt über einen Sensor, der auf Strahlung um die 1'000 nm reagiert. Man kann sich das wie eine Taschenlampe vorstellen, die auf eine Solarzelle strahlt, die mit einem Computer verbunden ist. Der Sender schaltet die Lampe in einem bestimmten Rhythmus (sagen wir Morsezeichen) ein und wieder aus, die Solarzelle erzeugt entsprechend Strom oder nicht, und der Computer merkt sich die Signale, um diese dann zu verarbeiten. Im Falle des Fernsehers heisst das: Wird ein bestimmter Code erkannt, wechselt er den Sender oder erhöht die Lautstärke. Infrarotstrahlung ist aber so schwach, dass es niemandem weh tut, wenn man ihn mit der Fernbedienung "erschiesst". Das macht durchaus Sinn, denn um gefährlich zu sein müsste die Strahlung eine gewisse Energiedichte haben und dann wiederum wären die Batterien wirklich schnell leer. Und das Militär hätte sich die Dinger längst unter den Nagel gerissen.
Gehen wir nun direkt weiter zur dritten Welle und legen fest, das sei Röntgenstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1 nm, also bereits 1'000 Mal dichter als noch eben bei der Fernbedienung. Dass diese nicht ganz harmlos ist, weiss man vom Arzt- oder Zahnarztbesuch, denn die Bleiwesten dort werden nicht (nur) aus Spass angezogen. Blei ist bekanntermassen ziemlich schwer und das liegt an seiner hohen Dichte - ähnlich wie bei der Mikrowelle handelt es sich also um eine Art engmaschiges Gitter, durch das die Röntgenstrahlung nicht hindurchkommt. Nur dass man das Gitter nicht sieht sondern wir bereits auf atomarem Niveau diskutieren. Demgegenüber ist menschliche Haut für Röntstrahlung so weitmaschig, dass sie einfach hindurchfliessen kann, während Knochen und Zähne dicht genug sind, dass sie zumindest teilweise daran abprallt. Fängt man also das Bild dahinter auf, sieht man, quasi als Schatten, wo sich die dichten Stellen befinden, und fertig ist die Röntgenaufnahme. Ausser natürlich bei Superman, der nicht zuerst eine Leinwand aufstellen muss - seine Augen senden nicht nur die Strahlen aus, sie dienen gleichzeitig als Empfänger. Statt also die Schatten hinter dem Objekt aufzufangen, nimmt er direkt die Reflektionen wahr. Das ist im Grunde genau dasselbe, wie wenn wir nachts jemanden mit einer Taschenlampe beleuchten (nur dass man mit Röntgenstrahlung keine Haut sehen würde sondern bloss das Knochenskelett).
Zum Schluss bleibt jetzt noch die mittlere Welle, die genau zwischen Fernseher und Arztbesuch liegt. Nehmen wir tatsächlich die Mitte, also genau 500 nm. Was passiert, wenn uns Strahlung mit einer solchen Wellenlänge trifft? Oder noch besser, wenn sie uns genau ins Auge fällt? Wäre das gefährlich? Die Antwort mag überraschen: Wir würden dort einfach nur Türkis sehen! Leicht darunter, bei 550 nm, wäre es ein saftiges Grün und bei 630 nm ein sattes Rot. Mit anderen Worten: alle für uns sichtbaren Farben sind nichts weiter als Strahlung mit einer Wellenlänge von 400 bis 700 nm!
Nun ist die Katze quasi aus dem Sack; unsere Augen sind tatsächlich Sensoren, die auf bestimmte Strahlungsarten reagieren. Um genau zu sein befinden sich auf der Netzhaut drei Arten solcher Sensoren, die für unterschiedliche Wellenlängen zuständig sind: Zäpfchen für die Farben Rot (564 nm), Grün (534 nm) und Blau (420 nm) wobei sie nicht nur exakt diese, sondern auch ähnliche Wellenlängen abdecken. Man muss dazu sagen, dass die blauen Zäpfchen nicht ganz so empfindlich sind wie die anderen; hier ein Diagramm:
Der weisse Bereich stellt unser letztendliches Sichtspektrum dar. Dass die Kurve im Grün-Gelben Bereich so ausschlägt bedeutet, dass wir dort besonders feine Farbnuancen wahrnehmen können. Dies ist der Grund, warum das Bild bei den meisten Nachtsichtgeräte in Grüntönen dargestellt wird. Auch interessant ist, dass Pink in diesem Spektrum nicht auftaucht, denn die Farben bilden keinen Kreis. Von Rot gehts nicht über Pink zurück nach Blau sondern nur weiter ins Infrarot, bzw. von Blau weiter ins Ultraviolett - es gibt kein pinkes Licht.
Trifft nun Strahlung mit passender Wellenlänge auf diese Sensoren, werden sie mehr oder weniger stark stimuliert und aus der Kombination ergibt sich für uns ein bestimmter Farbton. Das heisst, zunächst einmal werden von den Zäpfchen nur elektrische Impulse durch die Nervenbahnen gesendet. Das kann man sich genau wie oben beim Fernseher als eine Art Morsecode vorstellen. Im Gehirn angekommen werden diese Signale interpretiert und dann erst "sehen" wir die entsprechende Farbe. Wie genau das nun mit dem Sehen der Impulse funktioniert, wird der Wissenschaft wohl noch lange ein Rätsel bleiben, denn was wirklich in unseren Köpfen vorgeht, übersteigt unseren Horizont bei weitem. Bemerkenswert ist aber, dass die Verbindung vom Auge zum Gehirn tatsächlich nur aus Nervenimpulsen besteht (dasselbe gilt freilich auch für die anderen Sinne). Es dürfte also in Zukunft gut möglich sein, künstliche Augen herzustellen, die mit Kameras und Mikroprozessoren die passenden Signale für unser Gehirn aussenden - und dabei womöglich ein breiteres Spektrum übermitteln als unsere biologischen Augen je erfassen könnten. Infrarot zu sehen wäre nachts sicher praktisch und ist im Übrigen gar nicht so unnatürlich. Es gibt viele Tierarten, die Infrarot (oder generell andere Wellenlängen als wir Menschen) sehen können, dafür fehlen den meisten Tiere allerdings die Zäpfchen für Rot. Mit Hilfe der Technik haben wir schon so manches Defizit aufgeholt und letztendlich das natürliche Pendant weit übertroffen.
Zusammengefasst bleibt also die Erkenntnis, dass Strahlung mit bestimmten Wellenlängen von der Sonne (und anderen Lichtquellen wie Taschenlampen, Scheinwerfern, Feuer, usw.) ausgesendet wird, auf unsere Umgebung trifft, von dort reflektiert wird und schliesslich in unser Auge gelangt, wo es passende Rezeptoren für verschiedene Wellenlängen gibt, die angeregt werden, elektrische Impulse von sich geben, dem Gehirn auf diese Weise ihre Beobachtung mitteilen und irgendwie wird all das im Gehirn gebündelt und von uns als Farbe interpretiert. Wahnsinn! Und das alles wird ermöglicht durch dieselbe Strahlung, die unsere Haut erwärmt, Funkgeräte miteinander verbindet oder Metall in zwei Hälften schneidet - alles nur eine Frage der Wellenlänge.
