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Farbwahrnehmung


Physik


Basiswissen


Als Farbwahrnehmung bezeichnet man die Fähigkeit, mit Sinnesorganen verschiedene spektrale Zusammensetzungen von Licht unterscheiden zu können. Das ist hier kurz vorgestellt.

Die Farben der Wahrnehmung


Die meisten Menschen können Farben wie Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett gut unterscheiden. Manche Tiere können zusätzlich auch für Menschen unsichtbare Farben erkennen. So können manche Insekten Farben im ultravioletten Bereich von Blüten erkennen, wo Menschen nur weiß sehen[4]. Und manche Schlangen sehen auch im Infrarotbereich[5]. Siehe auch Farben ↗

Vorrangig ausschlaggebend: die Frequenz


Farben werden in der Physik oft als elektromagnetische Wellen beschrieben. Jeder Farbe ist dann ein kleiner Bereich einer Wellenlänge (meist in Nanometer) und einer Frequenz (meist in Terahertz) zugeordnet. Die Zuordnung der Wellenlänge gilt aber nur für das Vakuum. Tritt Licht vom Vakuum in ein anderes Medium ein, so wird es langsamer und seine Wellenlänge nimmt dabei oft deutlich ab. Die Frequenz jedoch ändert sich beim Wechsel des Mediums nicht, sie bleibt immer erhalten. Dass die Wellenlänge für die Farbwahrnehmung keine Rolle spielt , kann man leicht selbst überprüfen. Betrachtet man einen roten Ball mit bloßem Auge einmal knapp über der Wasseroberfläche und einmal knapp darunter, dann erscheint er in beiden Fällen gleich rot. Dabei hat sich die Wellenlänge im Wasser aber deutliche verringert. Wenn sich aber die Wellenlänge stark verändern kann, ohne dass sich dabei die empfundene Farbe ändert, kann die Wellenlänge keinen Einfluss auf die Wahrnehmung der Farben haben, sondern es ist die Frequenz[1]. Letztendlich immer eindeutig für das Farbempfinden ist also die Lichtfrequenz ↗

Nur zweitrangig wichtig: die Wellenlänge


Schon Isaac Newton ordnete verschiedenen Farbempfindungen verschiedene Wellenlängen zu[8]. Erwin Schrödinger schreibt später: "Fragt man einen Physiker nach seiner Vorstellung von gelebem Licht, so wird er sagen, daßes aus transversalen elektromagnetischen Wellen besteht, deren Wellelnlägen inder Nachbarschaft von 590 µµ (1 µµ = 10 hoch -6 mm) liegen […] Weiter können wir fragen: Ist die Strahlung in der Nähe der Wellenlänge 590 µµ die einzige, die die Empfindung Gelb hervorruft? Die Antwort lautet: Nein, ganz und gar nicht! Mischt man Wellen von 760 µµ die für sich allein die Empfing Rot erzeugen, in bestimmtem Verhältnis mit Wellen von 535 µµ, die für sich allein die Empfindung Grün erzeugen, so ergibt diese Mischung ein Gelb, das vom Auge von dem Gelb nicht unterschieden werden kann, das durch die Welelnlänge 590 µµ erzerugt wird." Aber: "Es gibt kein einfaches Gesetz dafür, daß eine Mischung zweier Spektrallichter die gleiche Wirkung habe wie ein einziges zwischen ihnen liegendes Spektrallicht. So ergibt zum Beispiel eine Mischung von Blau und Rot, die an den Enden des sichtbaren Spektrums liegen,Purpur, eine Farbe, die durch ein einziges Spektrallicht überhaupt nicht erzeugt werden kann." Die hier angeführten Zitate[2, Seite 66 ff.] stammen von dem Physiker und Nobelpreisträger Erwin Schrödinger. Er argumentiert damit dahingehend, dass keine naturwissenschaftliche Theorie die sinnlichen Qualitäten unserer Wahrnehmung erklären kann[3].

Die Farbwahrnehmung bei wenig Licht


In einem ziemlich dunklen Raum oder bei Dämmerung und in der Nacht kann man noch oft Gegenstände erkennen, sieht aber deren Farben nicht. Das hängt damit zusammen, dass es zwei Arten von Sehzellen auf der Netzhaut gibt. Gut im Dunkeln sehen können die Stäbchen. Aber Farben können die Stäbchen nicht unterscheiden. Erst wenn es hell genug ist reagieren die Zäpfchen. Diese Zellen können gut Farben unterscheiden, sehen aber schlecht im Dunkeln. Interessant ist hier der sogenannte Purkinje-Effekt. Die Stäbchen-Zellen für das Dunkelsehen reagieren so gut wie gar nicht auf dunkelrotes Licht. Wenn wir in einem dunklen Raum ein rotes Blatt Papier sehen, so erscheint es uns als schwarz. Tatsächlich kann es im hellen Licht heller erscheinen erscheinen, als zum Beispiel eine blaues Blatt Papier. Aber im Dunkeln erscheint das rote Blatt dann immer dunkler als das helle Blatt[6]. Siehe dazu auch den Artikel zu Stäbchen ↗

Farben aus dem Nichts? Die Benham-Scheibe


Wie Menschen Farben wahrnehmen hängt nicht alleine von der Frequenz des ausgesandten Lichts ab. Das zeigen verschiedene eindrucksvolle Experimente. Die Wahrnehmung einer Farbe ist immer auch ein psychologisches Phänomen. Ein klassischer Versuch dazu ist die sogenannte Benham-Scheibe. So nennt man eine Kreisscheibe, auf der ein einfaches Muster aus Schwarz und Weiß aufgezeichnet ist. Dreht man die Scheibe langsam, sehen die meisten Menschen plötzlich blaue und bräunliche Farbeffekte. Dreht man die Drehrichtung um, wechseln damit auch die Bereiche, in denen man Blau und Braun wahrnimmt. Dieses sehr einfache Experiment zeigt, dass die Wahrnehmung der Farben nicht alleine von den Frequenzen des ins Auge fallenden Lichts bestimmt wird. Siehe mehr dazu im Artikel zur Benham-Scheibe ↗

Die Farbwahrnehmung und Kants Ding an sich


Der Philosoph Immanuel Kant (1724 bis 1804) ging davon aus, dass die wahre Beschaffenheit der Gegenstände der Wirklichkeit für uns nicht direkt erkennbar sind. Diese nicht genau erkennbaren Objekte nannte er "Ding an sich". Macht man sich klar, dass eine Farbe tatsächlich erst in unserem Kopf entsteht, und zwar nur aufgrund der Frequenz eines Photons, so wird deutlich, dass man niemals die Farbe der Objekte selbst sieht. Betrachtet man zum Beispiel den Riesenstern Beteigeuze, einen roten Riesen im Sterbild Orion, so erscheint er dem Auge tatsächlich rötlich. Man hat den Eindruck, den Stern und seine Farbe direkt wahrzunehmen. Tatsächlich hat das Photon den Stern vor über 600 Jahren verlassen und ist seitdem durch den Weltraum gewandert. Unsere Psyche deutet alleine und nur das Auftreffen dieses Photons auf die Netzhaut, oder sogar noch nicht einmal das, sondern nur ein elektrisches Erregungsmuster von Neuronen tief im Inneren unseres Gehirns. Unsere Psyche rekonstruiert aus diesen elektrischen Mustern dann einen Stern Beteigeuze mit der Farbe Rot. Tatsächlich aber bleibt der Stern ganz im Sinne von Kants vorsichtiger Philosophie nur ein Ding an sich ↗

Historisch interessant: Newtons "rays of light"


Der Physiker und Philosoph Isaac Newton (1642 bis 1727) dachte, Licht bestünde aus kleinsten Teilchen, die er "rays of light" nannte[7]. Die kleineren dieser Lichtteilchen erzeugen die Farben zum Violetten hin, die längeren die Farben zum Roten[8]. Das passt sehr gut zur heutigen Vorstellung, dass Photonen (Lichtteilchen) mit kurzer Wellenlänge eher violett ist und solches mit großer Wellenlänge eher rot. Wo Newton von Schwingungen (vibrations) spricht, meint er damit nicht die Vibration der Lichtteilchen selbst. Die Vibration werden zwar von den Lichtteilchen ausgelöst, finden aber im Medium statt, in dem sich das Licht ausbreitet[9]. Newtons Vorstellung von Licht bezeichnete man später als Korpuskeltheorie ↗

Fußnoten




Von einer Sonnenblume trifft eine Lichtwelle, ein Photon ins Auge eines Menschen. Erst im Kopf entsteht die Wahrnehmung einer Farbe. Kann man dann überhaupt davon sprechen, dass die Blume selbst eine Farbe hat? Gunter Heim