Definition

Sehen heißt sich mit Hilfe von biologisch wahrgenommenen elektromagnetischen Wellen ein inneres, geistiges Bild der äußeren Welt aufzubauen. Das ist hier aus physikalischer und psychologischer Sicht kurz vorgestellt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Der Eindruck Rot entsteht tief in unserem Gehirn. Könne wir sicher sein, dass andere Menschen beim selben Anblick auch denselben Seheindruck haben? Die Frage gilt als nicht beantwortbar. © Wade and Benjamin A. ☛

Augen: die biologische Grundlage des Sehens

Jedes Sehen bei Lebewesen beginnt mit einem Auge. Als Augen im weitesten Sinn bezeichnet man lichtempfindliche Zellen oder Teile von Zellen. Lichtempfindlich heißt, dass eine Zelle sich chemisch oder elektrisch verändert, wenn Licht auf sie trifft. Ändert sich der chemische oder elektrische Zustand eines Auges, kann der Organismus im Umkehrschluss daraus folgern, dass das Auge von Licht getroffen worden sein muss. Das ist die Grundidee des Sehens.

Richtungssehen

Man stelle sich als Gedankenexperiment ein frei im leeren Weltraum schwebendes Auge vor. Dieses Auge sei so gebaut ist, dass sich sein Zustand jedesmal von A nach B ändert, wenn von außen ein Lichtteilchen eingefallen ist. Wenn das so gilt, dann kann ein solches Auge zwar sagen, dass ein Lichtteilchen ankam, aber es kann keine Aussage darüber liefern, aus welcher Richtung das Lichtteilchen kam. Wenn der Zustand B eingetreten ist, dann weiß man nur: irgendwoher kam ein Lichtteilchen. Schattet man nun manche Richtungen um das Auge ab, dann kann man jetzt auch aus dem Eintritt des Zustandes B heraus schließen, aus welchen das Lichtteilchen nicht gekommen sein kann. Das ist die Grundidee für das Richtungssehen: man schattet möglichst viele Herkunftsrichtungen ab und weißt dann, woher das Lichtteilchen nicht gekommen sein kann. In der biologischen Evolution führte das vom Flachauge über das Becherauge hin zu den Loch- und Linsenaugen. Diese biologische Evolution ist kurz skizziert im Artikel zu 👉 Augen

Farbsehen

Neben der Richtung, aus der ein Lichtteilchen gekommen sein muss, ist eine zweite interessante Information über die Umwelt in der Farbe oder Wellenlänge des Lichts enthalten. Diese Information erlangen biologische Augen darüber, dass sie nur auf bestimmte Wellenlängen (Farben) von Licht reagieren: wenn ein sternförmiges Gebilde gelb aussieht könnte es ein die Blüte eines Löwenzahns sein, sieht es eher violett ist, ist es vielleicht die Blüte von einem Veilchen. Dem Farbsehen dienen die sogenannten 👉 Zapfen (Auge)

Entfernungssehen

Mit Entfernungssehen ist hier die Fähigkeit gemeint, dass man über das optische System (das Auge) Informationen über dieEntfernung von Objekten erhält. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten.

I Linsenkrümmung

Kennt man die Richtung, aus der ein einzelnes Lichtteilchen (Photon) gekommen sein muss, kann man darüber noch keine Information erlangen, wie weit die Lichtquelle entfernt ist. In der Astronomie wusste man zum Beispiel bis ins 19. Jahrhundert wenig über den wahren Abstand der Sterne zu uns. Man konnte zwar genau sagen, aus welcher Richtung das Licht von einem Stern zu uns kam, nicht aber, wie weit dieser Stern von uns entfernt war. Um die Entfernung abschätzen zu können, hat die Evolution mindestens zwei Mechanismen hervorgebracht: bei einem Linsenauge kann die Form der Linse oft mit Muskeln in ihrer Wölbung verändert werden. Nur bei einer bestimmten Wölbung kann man ein Objekt dann scharf sehen. Wie stark diese Wölbung für ein scharfes Bild sein muss, hängt von der Entfernung des betrachteten Objektes ab. Über diese Logik kann ein Organismus im Umkehrschluss aus der Stärke der Krümmung für ein scharfes Bild auf die Entfernung des Objektes schließen. Das optische Prinzip dahinter ist die Brennweite, ein Schlüssel zum mathematichen Verständnis die sogenannte 👉 Linsenformel

II Stereoskopie

Eine weitere Möglichkeit, mit Hilfe von Augen eine Information über die Entfernung von Objekten zu erlangen, setzt zwei gleichzeitig arbeitende Augen voraus. Die zwei Augen müssen auch räumlich voneinander getrennt liegen (wie zum Beispiel bei Menschen). Jedes Auge blickt sozusagen aus einer anderen Richtung auf eine Objekt. Aus den unterschiedlichen Bildern und Winkeln kann man rückwärts auf die Entfernung der betrachteten Objekte schließen. Diese Auswertungen sind sehr kompliziert und rechenaufwändig. Sie laufen aber in unserem Kopf völlig unbewusst ab. Das Fachwort dazu ist 👉 Stereoskopie

III Parallaxe

Wenn man sich bewegt wandern nahe Objekte schneller durch das Gesichtsfel als weit entfernte Objekte. Eine langsame Hummel, die direkt vor der eigenen Nase vorbeifliegt huscht in Sekundenschnelle ins Blickfeld hinein und auf der anderen Seite wieder heraus. Der Mond, der von uns aus gesehen mit etwa einem Kilometer pro Sekunde durch den Weltraum rast, erscheint so langsam, das wir ihn beim bloßen Anblicken als stehend wahrnehmen. Das Gehirn nutzt diesen Effekt und deutet schnell bewegte Objekte vorzugsweise als näher an uns als weiter langsam sich bewegende Objekte. Siehe auch 👉 Bewegungsparallaxe

IV Luftperspektive

Über die Farbunterschiede im Bild kann das Gehirn Rückschlüsse auf die Ferne gesehen Objekte ziehen: bei Panoramablicken in die Landschaft wirken weit entfernte Objekte oft heller, bläulicher und unschärfer. Der physikalische Effekt heißt Rayleigh-Streuung. Siehe dazu auch den Artikel zur 👉 Luftperspektive

Akkomodation: die richtige Schärfe

Das Auge bildet Lichtstrahlen mit seiner Augenlinse auf der Netzhaut ab. Damit das Bild scharf wird, muss die Brechkraft (Fähigkeit einer Linse, Licht zu bündeln) der Augenlinse genau zur Entfernung des betrachteten Objekts passen. Den Effekt kann man selbst mit einer einfachen Lupe in einem kurzen Experiment nachstellen.

Schon eine billige Lupe genügt, um ein Bild der Umgebung auf ein helles Blatt papier zu projizieren. Dabei muss man die Lupe etwas hin und her bewegen, bis man den passenden Abstand von der Lupe zum Papier gefunden hat. Nur bei einem Abstand gibt es ein gewünscht großes und scharfes Bild. Das Blatt Papier spielt dabei die Rolle der Netzhaut.

Nun hat die Natur aber nicht den Weg gewählt, die Linse des Auges mehr auf die Netzhaut hin oder weiter von ihr weg zu bewegen. Wäre es so, würde die Augen wie das Objektiv einer Kamera aus dem Kopf herausfahren können. Das Auge hat einen anderen Weg gewählt: in menschlichen Augen wird die Linse mit ihrer Brechkraft selbst verändert.

Die Anpassung der Brechkraft nennt man Akkommodation.^[3] Dabei verändern kleine Muskeln die Form der nicht ganz starren Augenlinse. Für nahe Objekte wird die Linse stärker gekrümmt, für entfernte Objekte flacher.

Das Auge weiß nicht von Anfang an, welche Einstellung richtig ist. Wie dann stellt das Auge die richtige Krümmung des Auges für ein optimal scharfes Bild ein? Es nutzt dazu verschiedene Informationen der einfallenden Lichtstrahlen und deren Effekte auf das Auge selbst.^[4]

Es verändert die Linsenform fortlaufend und überprüft dabei die Bildschärfe auf der Netzhaut. Wird das Bild schärfer, wird die Änderung fortgesetzt. Wird es unschärfer, wird in die andere Richtung korrigiert.

Zur Beurteilung der Schärfe nutzt das Auge vor allem den Kontrast (Helligkeitsunterschied zwischen benachbarten Bildbereichen). Scharfe Kanten erzeugen stärkere Kontraste als unscharfe.

Außerdem hilft die chromatische Aberration (unterschiedliche Brechung verschiedener Farben).^[4] Da blaues und rotes Licht nicht exakt am gleichen Ort fokussiert werden, kann das Auge erkennen, ob es zu stark oder zu schwach fokussiert hat.^[5] Siehe auch 👉 chromatische Aberration

Bei einem virtuellen Bild (Bild, das nur scheinbar an einem Ort entsteht, z. B. bei einer Lupe) funktioniert das genauso. Für das Auge sehen die eintreffenden Lichtstrahlen genauso aus, als kämen sie von einem echten Gegenstand an dieser scheinbaren Position. Deshalb kann das Auge auch virtuelle Bilder scharf stellen. Siehe auch 👉 virtuelles Bild

Wie schnell kann man sehen?

Sehen wir sofort, wenn sich in der Wirklichkeit etwas verändert? Die Antwortet lautet eindeutig nein. Wenn zum Beispiel jetzt plötzlich die Sonne aufhören würde zu leuchten, dann würden wir das auf der Erde erst 8 Minuten und einige Sekunden später merken. Solange braucht nämlich Licht von der Sonne bis zur Erde. Die Lichtteilchen, die kurz vor dem Erlöschen der Sonne von ihr wegflogen, würden noch über 8 Minuten lang bei uns ankommen, auch wenn die Sonne bereits erloschen ist. Solange würde wir die Sonne ganz normal am Himmel leuchten sehen, obwohl sie in Wirklichkeit dann schon dunkel ist. Noch eindrucksvoller ist dieser Effekt bei fernen Galaxien. Die Galaxien, deren Licht wir heute in Teleskopen wahrnehmen, sind zum Teil schon seit 10 Milliarden Jahren erloschen. Der Grund dafür, dass wir Veränderungen nicht „sofort“ sehen ist die Tatsache, dass Licht zur Bewegung durch den Raum Zeit benötigt. Siehe dazu auch 👉 Lichtgeschwindigkeit

Das Sehen als mathematische Funktion oder Zuordnung

Augen kann man mathematisch mit Hilfe der Worte Zuordnung und Funktion betrachten. Kann man jeder Sehzelle im Auge genau eindeutig eine Richtung zuordnen, aus der das Lichtteilchen gekommen sein muss, dann ist das Signal einerZelle eine eine eindeutige Funktion der Lichtquellenrichtung. Das ermöglicht ein sehr scharfes sehen, etwa bei einem Loch- oder Linsenaugen. Kann man einer Sehzelle jedoch mehrere Richtungen zuordnen, aus denen ein einfallendes Lichtteilchen gekommen sein kann, dann handelt es sich nicht mehr um eine Funktion im Sinne der Mathematik, aber immer noch um eine mathematische 👉 Zuordnung

Wodurch entstehen optische Täuschungen?

Scheinbar krumme Linien sind in Wirklichkeit gerade (Münsterberg-Täuschung). Scheinbar hellgraue und dunkelgraue Felder sind in Wirklichkeit beide gleich hell (Goethes Graufeld-Versuch). Und wo man Farben sieht, gibt es in Wirklichkeit nur schwarze und weiße Flächen (Benham-Scheibe): optische Täuschungen entstehen meist erst bei der „Auswertung“ der Sinnesdaten des Auges im Gehirn. Für Beispiele zu einigen bekannten solchen Effekten siehe den Artikel 👉 optische Täuschungen

Wie zuverlässig ist das „innere Bild“?

Optische Täuschungen zeigen uns eindrucksvoll, wie anders die Wirklichkeit sein kann, gemessen an dem, was wir zu sehen glauben. Schon früh stellten sich deshalb Philosophen die Frage, wie zuverlässig denn unsere Sinneseindrücke überhaupt sind. Können wir die wahre Wirklichkeit mit dem Sehen zuverlässig erkennen? Der Philosoph Immanuel Kant (1724 bis 1804) glaubte, das sei nicht möglich. Ein Gegenstand aus der Wirklichkeit bleibt für uns immer ein nicht sicher erkennbares 👉 Ding an sich

Fußnoten

[1] Ierodiakonou, Katerina. "Theophrastus on Plato’s Theory of Vision" Rhizomata, vol. 7, no. 2, 2019, pp. 249-268. Online: https://doi.org/10.1515/rhiz-2019-0011

[2] Shoja M, Agutter P, Tubbs R. Rhazes doubting Galen: ancient and medieval theories of vision. Int J Hist Philos Med. 2015;5:10510. doi: 10.18550/ijhpm.011515.0510.

[3] "Accommodation can be thought of as a natural adaptive optics mechanism to improve the retinal image quality of objects placed at different distances. It was Thomas Young who demonstrated at the beginning of the 19th century that the change in refractive power of the eye is due to the crystalline lens". In: Del Águila-Carrasco AJ, Kruger PB, Lara F, López-Gil N. Aberrations and accommodation. Clin Exp Optom. 2020 Jan;103(1):95-103. doi: 10.1111/cxo.12938. Epub 2019 Jul 8. PMID: 31284325; PMCID: PMC6911823. Online: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6911823/

[4] "Obwohl das natürliche Auge wie auch künstliche Intraokularlinsen (IOL) deutliche chromatische Aberrationen (unterschiedliche Brechung unterschiedlicher Wellenlängen bzw. Farben) aufweisen, muss diese nicht berücksichtigt werden, da die Farbrezeptoren der Retina sowie die nachfolgende neuronale Bildverarbeitung des Gehirns diese nutzt, um die Schärfentiefe zu erweitern." In: Wilhelm Stork: Optische Abbildungsfehler und Abbildungsqualität. Institut für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV). Universität Karlsruhe. Abgerufen am 1. April 2026. Online: https://www.itiv.kit.edu/3366.php

[5] "How does the visual system know when to accommodate or disaccommodate and by how much? Researchers have been trying to answer to this fundamental question for a long time, and still there is not a completely satisfactory answer. It is well known that the visual system makes use of information from the outside world, such as the intensity and wavelength of light reflected from objects, as well as information about the interaction of light with the optics of the eye itself, such as the effects of inaccurate refraction and chromatic dispersion. This information that the visual system uses in order to change the accommodation state accordingly is typically referred to as “cues” for accommodation." In: Del Águila-Carrasco AJ, Kruger PB, Lara F, López-Gil N. Aberrations and accommodation. Clin Exp Optom. 2020 Jan;103(1):95-103. doi: 10.1111/cxo.12938. Epub 2019 Jul 8. PMID: 31284325; PMCID: PMC6911823. Siehe auch 👉 chromatische Aberration