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Was ist Licht? Und wie ermöglicht es uns zu sehen?
Licht ist für uns Menschen selbstverständlich. Doch was ist Licht eigentlich? Licht ist Energie in Form von Strahlung. Dank ihr nehmen wir die Welt in all ihren Farben wahr.
Licht und Farben
Licht ist Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung, die von einer strahlenden Quelle – zum Beispiel der Sonne oder einer Kerze – emittiert, also ausgestrahlt, wird. Sie breitet sich in Form von Wellen aus – ähnlich wie die Wellen, wenn du einen Stein ins Wasser wirfst. Elektromagnetische Strahlung kann verschiedene Wellenlängen haben. Das für den Menschen sichtbare Licht umfasst Wellenlängen zwischen 400 und 700 Nanometern. Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Der grösste Teil, wie Röntgen- oder Gammastrahlen, ist für das menschliche Auge unsichtbar.
Je nach Wellenlänge des Lichts nehmen wir unterschiedliche Farben wahr. Fällt weisses Licht durch ein Prisma, wird es in verschiedenfarbiges Licht aufgespalten, da die Wellen je nach Wellenlänge unterschiedlich stark abgelenkt (gebrochen) werden. Blaues Licht zum Beispiel hat eine kürzere Wellenlänge als rotes Licht und wird stärker abgelenkt. Ein ähnliches Phänomen, die Streuung von Licht, beschert uns einen blauen Himmel (siehe dazu den Artikel „Warum ist der Himmel blau und die Abendsonne rot?“). Weisses Licht besteht also eigentlich aus vielen verschiedenen Farben, die zusammen weiss wirken. Farben nehmen wir wahr, wenn ein Teil des Lichts fehlt. Fehlt zum Beispiel Rot, erscheint uns das Licht Grün, da es nur noch aus Blau und Gelb zusammengesetzt ist.
Licht – Welle oder Teilchen?
Dass Licht sich als Welle ausbreitet, ist anhand von Experimenten gezeigt worden. So beweist das Phänomen der Interferenz den Wellencharakter des Lichts. Eine Erklärung zur Interferenz findest du im Artikel „Strukturfarben - Die schillernde Farbenwelt des Tier- und Pflanzenreichs“. Daneben gibt es aber auch Experimente, die darauf hindeuten, dass Licht aus winzigen Teilchen - den sogenannten Photonen - besteht. Beide Modelle sind in der Forschung anerkannt und je nach Situation anwendbar. Licht ist also beides – Welle und Teilchen. Dieser Dualismus stellte die Physik lange vor einige Probleme und liess sich erst mit dem Aufkommen der Quantenphysik lösen. Vereinfacht gesagt, reist Licht als Welle und kommt als Teilchen an.
Sehen dank Lichtreflexion
Wir sehen was wir sehen, weil jeder Gegenstand Licht absorbiert und reflektiert. Je nach Beschaffenheit des Gegenstands werden unterschiedliche Wellenlängen „geschluckt“ oder gespiegelt. Ein rotes Auto erscheint rot, weil der Lack rotes Licht reflektiert, während er Licht aller anderen Wellenlängen absorbiert.
Das reflektierte Licht tritt durch die Pupille in unser Auge ein und trifft auf die Netzhaut (auch Retina genannt). Die Netzhaut kleidet die Hinterwand des Auges aus und besteht aus Sehsinneszellen, Zellen, die darauf spezialisiert sind, den Einfall von Licht zu erkennen und die Information weiterzugeben. Sie senden Signale aus, die über den Sehnerv zum Gehirn gelangen. Dort wird die Information von allen Sehsinneszellen zusammengenommen und ausgewertet. Das Gehirn „sieht“.
Je nach Wellenlänge aktiviert das Licht unterschiedliche Zapfentypen, was zur Wahrnehmung einer bestimmten Farbe führt (im Artikel „Von Zapfen und Stäbchen“ gehen wir etwas genauer auf die zwei Zelltypen ein). Zapfen vom S-Typ sind Blaurezeptoren und für kurzwelliges Licht zuständig („S“ steht für „short“). Daneben gibt es aber noch Grünrezeptoren, die M(edium)-Zapfen, und Rotrezeptoren, die L(ong)-Zapfen. Die Farbsicht entsteht also durch das Zusammenspiel der unterschiedlichen Erregbarkeit der Zapfen-Typen. Blaue Objekte zum Beispiel absorbieren niedrigfrequente Wellenlängen des Lichts und reflektieren nur hochfrequente Lichtstrahlen einer bestimmten Wellenlänge. Diese Wellen aktiveren beim Auftreffen auf die Netzhaut die S-Zapfen und führen im Gehirn zur Interpretation der Farbe als Blau. Bei schwachem Licht sind allerdings nur die Stäbchen in unserer Netzhaut aktiv, die keine Farbfrequenzen verarbeiten können. Aus diesem Grund ist unser Farbensehen nachts stark eingeschränkt – und alle Katzen grau (lies dazu auch den Artikel „Können Tiere nachts Farben sehen?“).