QUANTENPHYSIK UND FARBE

Was haben Quantenvorgänge und Farben gemeinsam? Auf den ersten Blick nichts, denn das eine ist eine Sinnesempfindung und das andere vielleicht nicht mehr als ein zum Scheitern verurteilter Versuch Materie, Energie und Wirklichkeit physikalisch in Einklang zu bringen. Dennoch gehört beides untrennbar zusammen.

Photonenenergieformel

Physikalisch gesehen ist Farbe nichts anderes als eine elektromagnetische Strahlung. Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein erstmals seine Hypothese, wonach Licht kein Strahl sei, sondern sich in Form kleiner Energiepakete, sogenannten Lichtquanten ausbreite. Eine Arbeit, die ihm später den Nobelpreis einbrachte. Im Quantenmodell wird Licht als aus einzelnen Lichtquanten bestehend beschrieben. Lichtenergie wird von einem Atom immer dann abgegeben, wenn Elektronen von einem höheren Energiezustand in einen niedrigen übergehen. Das dabei freigesetzte Energiepaket wird als Photon bezeichnet.
Es war Max Planck, der mit seinem Wirkungsquantum eine Naturkonstante entwickelte, mit der sich der Energiegehalt dieser Lichtquanten explizit errechnen lässt.

Betrachtet man diese Lichtquanten (Photonen, Energiepakete) versuchsweise näher, stellt man fest, dass sie gleichzeitig Wellen- und Teilcheneigenschaften besitzen.

Wellenmodell:
Unser Auge hat Rezeptoren, die Licht im Wellenlängenbereich von etwa 380 bis 750 nm erfassen können. Jede Wellenlänge entspricht einem bestimmten Buntton. Ist die Amplitude, d.h. die Energiemenge in einem bestimmten spektralen Wellenlängenbereich besonders hoch, empfinden wir diese Farbe als stark gesättigt und hell. Sind alle Spektren gleichmäßig vertreten, erscheinen uns die Farben neutral, d.h. Schwarz-Grau-Weiß.

Teilchenmodell:
Der Buntton einer Farbe hängt von dem Energieinhalt der jeweiligen Photonen ab. Die Photonen können ja laut Max Planck nur ganz bestimmte Energiezustände einnehmen, was einem bestimmten Buntton entspricht. Die von uns empfundene Helligkeit einer Farbe wiederum hängt von der Gesamtzahl der ins Auge treffenden Lichtquanten ab. Sie wird teils von den Farbrezeptoren, überwiegend aber von speziellen Helligkeitsrezeptoren, den Stäbchen erfasst. Die Sättigung ist wohl ein Maß der „Reinheit“ der ins Auge treffenden Lichtquanten. Die drei Rot-, Grün- und Blau-Rezeptoren im menschlichen Auge sind auf eine bestimmte Photonenenergie sensibilisiert. Jeder der drei Zapfen (Farbrezeptoren) vermag die einen Lichtquanten besser und die anderen Lichtquanten schlechter umzuwandeln. D.h. Farben erscheinen uns dann als intensiv und rein, wenn sie aus einer großen Zahl gleicher Photonen bestehen, sodass ein oder zwei Farbrezeptoren stark gereizt werde.

Farbe lässt sich demnach als eine Welle mit einer bestimmten, farbtypischen Wellenlänge umschreiben oder als eine Mischung an Energiepaketen mit unterschiedlichen, aber diskreten Energiemenge. Um diesen Welle-Teilchen-Dualismus von Licht bzw. Farbe beschreibbar zu machen, bedient sich die Wissenschaft der Quantenphysik, die beide Modelle integriert.

Zitat: Wer glaubt, die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden.

RICHARD FEYNMAN: »DIE SELTSAME THEORIE DES LICHTS UND DER MATERIE«; PIPER, 1992

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