ZERO in Fachzeitschriften

Wie wird aus Licht Farbe?

Teil 1: Um zu verstehen, warum wir Farben so wahrnehmen, wie wir sie heute sehen, muss man weit in der Evolution zurückgehen. Die Entwicklung des trichromatischen Sehens, also der Farbwahrnehmung mit drei unterschiedlichen Zapfentypen, reicht Millionen von Jahren zurück. Bei den Vorfahren der heutigen Altweltaffen entwickelte sich durch die Verdoppelung eines vorhandenen Opsin-Gens ein zusätzliches Zapfenpigment. Damit wurde eine differenziertere Unterscheidung insbesondere im Rot-Grün-Bereich möglich. Diese Entwicklung wird in die Zeit des Oligozäns eingeordnet, also etwa vor 34 bis 23 Millionen Jahren.

Trichromatisches Sehen ist im Tierreich keineswegs die Regel. Viele Säugetiere sind dichromatisch und besitzen nur zwei Zapfenpigmente. Zahlreiche Vögel, Fische und Reptilien verfügen dagegen über vier und können damit einen größeren Bereich des elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen – bei vielen reicht das Farbensehen bis ins Ultraviolett. Kolibris etwa erkennen UV-Licht. Für sie können die für uns unsichtbaren UV-Muster mancher Blüten als optische Wegweiser zum Nektar dienen. Ihre Welt ist damit buchstäblich farbenreicher als unsere.

Drei Zapfen – Millionen von Farben
Auch unser menschliches Farbensehen ist erstaunlich leistungsfähig. Unsere Netzhaut besitzt drei Typen von Zapfen, vereinfacht als Rot-, Grün- und Blau-Zapfen bezeichnet. Sie reagieren jeweils auf unterschiedliche Bereiche des sichtbaren Lichts; aus der Kombination ihrer Signale entsteht unser Farbeindruck. Dieses Prinzip wird technisch im RGB-Farbmodell genutzt. Werden Rot, Grün und Blau jeweils in 256 Intensitätsstufen von 0 bis 255 dargestellt, ergeben sich rechnerisch 256 × 256 × 256 = 16.777.216 Farbkombinationen**. Entsprechend werben Monitore, Fernseher und Smartphones häufig mit rund 16,7 Millionen Farben. Ob wir diese Abstufungen tatsächlich alle unterscheiden können, ist eine andere Frage. Unsere Farbwahrnehmung ist nicht linear und hängt unteranderem von Farbton, Helligkeit und Umgebung ab. Auch individuell gibt es Unterschiede darin, wie fein wir Farben wahrnehmen.

Das Fenster zum sichtbaren Licht
Unser Auge kann nur einen kleinen Ausschnitt der elektromagnetischen Strahlung wahrnehmen. Das für den Menschen sichtbare Spektrum reicht ungefähr von 380 bis 780 Nanometern; häufig wird vereinfacht der Bereich von etwa 400 bis 700 Nanometern angegeben. Am kurzwelligen Ende liegt Violett, am langwelligen Ende Rot. Jenseits dieses Bereichs beginnt eine für uns unsichtbare Welt. Unterhalb des sichtbaren Bereichs liegen unteranderem ultraviolette Strahlung und – bei noch kürzeren Wellenlängen – Röntgen- und Gammastrahlung. Auf der anderen Seite schließen sich unteranderem Infrarotstrahlung, Mikrowellen und Radiowellen an. Für unseren Alltag bedeutet das: Das, was wir als die sichtbare Welt erleben, ist lediglich ein kleiner Ausschnitt dessen, was physikalisch vorhanden ist.

Der künstliche Regenbogen
Isaac Newton lenkte Sonnenlicht durch ein Glasprisma und beobachtete, dass sich das scheinbar weiße Licht in die bekannten Spektralfarben aufspalten lässt. Der Grund dafür liegt in der Dispersion: Licht unterschiedlicher Wellenlänge wird beim Übergang durch Glas unterschiedlich stark gebrochen. Das kurzwellige violette Licht wird stärker abgelenkt als das langwellige rote Licht. Dasselbe physikalische Prinzip können wir in der Natur beobachten – besonders eindrucksvoll beim Regenbogen. Sonnenlicht wird beim Eintritt in einen Regentropfen gebrochen, im Inneren des Tropfens reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen. Weil die verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich starkabgelenkt werden, erscheint das weiße Sonnenlicht als farbiges Spektrum. Beim Nebenregenbogen ist die Situation noch eindrucksvoller: Das Licht wird im Inneren des Regentropfens zweimal reflektiert. Dadurch erscheint die Farbreihenfolge gegenüber dem Hauptregenbogen umgekehrt – Rot liegt innen, Violett außen. Beim nächsten kräftigen Regenbogen lohnt sich deshalb ein genauer Blick. Was auf den ersten Blick wie ein farbiges Naturphänomen wirkt, ist zugleich eine anschauliche Demonstration grundlegender optischer Gesetzmäßigkeiten.

Farbe entsteht durch Licht
Was wir als Farbe eines Gegenstandes wahrnehmen, hängt davon ab, welche Anteile des einfallenden Lichts dieser Gegenstand absorbiert, reflektiert oder streut. Eine reife rote Tomate ist dafür ein gutes Beispiel. Trifft weißes Licht auf ihre Oberfläche, wird ein großer Teil der enthaltenen Wellenlängen absorbiert. Ein Teil des langwelligen Lichts wird dagegen zurückgeworfen und erreicht unser Auge. Unser Gehirn interpretiert dieses Signal als Rot. Ähnlich verhält es sich mit einem grünen Tomatenstängel oder einem Blatt: Bestimmte Wellenlängen werden stärker absorbiert, andere gelangen zurück in unser Auge. Entscheidend ist nicht eine einzelne Wellenlänge, sondern das gesamte Spektrum des reflektierten Lichts. Hier beginnt die Verbindung zwischen Physik, Biologie und unserem täglichen Umgang mit Farbe. Farbe ist keine Eigenschaft, die ein Gegenstand völlig unabhängig vom Licht besitzt. Sie entsteht im Zusammenspiel von Lichtquelle, Material, Auge und Gehirn. Für die Welt der Maler und Lackierer ist das eine entscheidende Erkenntnis: Farbe ist weit mehr als eine Zahl auf einem Farbfächer. Sie ist das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels – und damit immer auch eine Frage der Wahrnehmung.