Möchte man die Eigenschaften von Licht verstehen, ist es notwendig ein der Physik grundlegendes Konzept zu verstehen. Darum an dieser Stelle ein kleines Gedankenexperiment.

Stellt euch vor, ihr steht auf einem Bahnhof, am Bahnsteig uns seht einen Mann im Speisewagen des Zuges, der im Moment auf jenem Bahnsteig steht. Was wissen wir über diesen Mann? Auf jeden Fall wissen wir, dass sich diese Person im Speisewagen des Zuges nach, zum Beispiel, Wien befindet. Durch das Fenster sehen wir, dass der Mann an einem kleinen Tisch sitzt und eine Tasse vor sich stehen hat. Den Inhalt der Tasse kennen wir zwar nicht, aber aufgrund der Form der Tasse und aufgrund eines Aufdrucks auf der Tasse lässt sich vermuten, dass es sich um Kaffee handelt. Aber wissen können wir das nicht. Was wissen wir noch? Der Mann hat, beispielsweise, kurze schon etwas graue Haar und einen Vollbart. Somit können wir sein Alter schätzen. Aber wissen können wir es nicht.

Setzten wir uns zu ihm an den Tisch im Speisewagen und wechseln ein paar Worte mit ihm, dann können wir etwas mehr über diesen Mann erfahren. Den Namen. Welche Sprache er spricht. Vielleicht spricht er in einem Dialekt oder mit einem Akzent und wir können so sogar seine ungefähre Herkunft abschätzen. Nach einem längeren Smalltalk verstehen wir vielleicht sogar mehr über seinen Beruf oder seine Interessen.

Wollen wir über diese Person wirkliche Details erfahren, müssen wir ihn schon auf eine Waage stellen oder sogar in einen Computertomograf legen. Mit solchen Schritten lernen wir immer mehr und immer detailliertere Eigenschaften dieses Mannes kennen.

Doch wir werden niemals erfahren wer der Mann selbst wirklich ist! Wir werden immer nur Eigenschaften von ihm Erfahren. Wer er wirklich ist, kann nur er selbst wissen.

An dieser Stelle lässt sich aber vermuten, dass er eine sehr geduldige Person ist.

In der Physik müssen wir Menschen uns mit einem sehr ähnlichen Vorgehen begnügen. Denn jede Messung und jedes Experiment verrät, im Besten Fall, nur Eigenschaften des Lichts. Was Licht wirklich ist, lässt sich nur vermuten. Dies ist nicht weiter tragisch, denn im Gegenzug kennt man die Eigenschaften des Lichts wirklich sehr detailliert! Das Problem – und der Grund für diese Erklärung vorab – ist, dass Licht mehrere Eigenschaften besitzt, die sich auf den ersten Blick völlig zu Wiedersprechen scheinen. In etwa so, als hätte der Mann im Zug einen ergrauten Vollbart und ein glatt Rasiertes Gesicht zugleich! Was in der makroskopischen Welt als völlig unmöglich erscheint, ist in der Welt des Allerkleinsten allerdings normal.

Diesen scheinbaren Widerspruch nennt man in der Physik: Die Dualität des Lichts.

Die Eigenschaften von Licht:

Die Geschwindigkeit mit der sich Licht ausbreitet nennt man die Lichtgeschwindigkeit und diese beträgt (im Vakuum des Weltalls) etwa 300000 Kilometer pro Sekunde! In anderen Materialen wie zum Beispiel Wasser oder Glas ist Licht zwar etwas langsamer, aber Immer noch recht flott. In Glas beträgt sie etwa 200000 Kilometer pro Sekunde und in Wasser etwa 225000 Kilometer pro Sekunde. Diese Geschwindikeitsunterschiede werden später noch wichtig!

Möchte man nun verstehen, wie sich Licht im Raum ausbreitet, wird es etwas verwirrend. Und zwar weil sich Licht zum Einen wie eine Welle ausbreiten kann und zum Anderen wie ein Teilchen. Breitet sich Licht wie eine Welle aus zeigt es andere Eigenschaften als wenn es sich als ein Teilchen ausbreitet. Tatsächlich hat Licht immer beides, was man mit dem oben beschriebenen Begriff der Dualität des Lichts meint.

Jeder kennt das Bild, welches entsteht, wenn man einen Stein in einen spiegelglatten See wirft. Die Wellen die dabei entstehen, breiten sich kreisrund um den Stein aus. Wirft man zwei Steine gleichzeitig in den See, mit etwas Abstand zueinander, passiert zuerst das selbe. Aber die kreisrunden Wellen der beiden Steine begegnen sich einen Moment später. Bei dieser Begegnung prallen die beiden Kreiswellen aber nicht aufeinander wie zwei Bälle! Sondern sie begegnen sich nur und lassen sich gegenseitig ungehindert weiter kreisförmig ausbreiten. Nur das Wasser in welchem dies alles geschieht, muss am Ort der Begegnung der beiden Wellen für beide zugleich da sein! Es entsteht an dieser Stelle der Anschein, dass die Welle genau an dieser Stelle höher wird. Man nennt dies Überlagerung. Die Eigenschaft der Überlagerung ist eine der wesentlichen Eigenschaften von Licht und mit dieser lassen sich nicht nur mehrere Phänomene erklären. Die Überlagerung wird in der Technik an unzähligen Stellen genutzt. Von der Sonnenbrille bis zu einem modernen Mikroskop wird diese Eigenschaft genutzt.

Der Welleneigenschaft von Licht stehen seine Eigenschaften als Teilchen gegenüber. Diese Eigenschaften zeigen sich zum Beispiel, wenn Licht auf eine Metallische Oberfläche trifft. In der Interaktion von Licht mit Materie ist Licht in der Lage einen Impuls auf die Materie auszuüben. Dies klingt komplizierter als es ist – Dies bedeutet einfach, dass Licht mit den Teilchen der Materie zusammenprallen kann! – Was für eine Welle nicht möglich wäre. So schafft es Licht tatsächlich einzelne Elektronen aus Materie herauszustossen. Wie beim Billard. Dies nennt man den Fotoeffekt und wurde von Albert Einstein entdeckt. Und für diese Entdeckung hat er auch den Nobelpreis erhalten – nicht für seine Relativitätstheorie wie viele vermuten würden. Diesen Effekt nutzen wir alle ebenso täglich wie die Welleneigenschaften des Lichts. Jeder Bildsensor in jeder Kamera und jede Solarzelle basieren auf den Fotoeffekt, um nur zwei zu nennen.

Wieder zum Licht als Welle. Jeder kennt vermutlich den Begriff der Wellenlänge. Die Wellenlänge ist wieder einfach im Wasser zu beobachten. Die Welle eines Kreuzfahrtschiffes ist nicht nur höher, sondern sie ist auch länger. Das soll bedeuten, dass der Abstand zwischen zwei Wellen(bergen) länger ist als bei einer Welle die entsteht, wenn wir wieder einen kleinen Stein ins Wasser werfen.

Auch Licht hat diese Eigenschaft der Wellenlänge. Die Wellenlänge von Licht reicht von sehr langen Wellen bis hin zu sehr kurzen. In Zahlen: die Wellenlänge von Licht kann im Kilometerbereich sein und andererseits so kurz werden wie ein Atom im Durchmesser – und kleiner! Tatsächlich ist es so, dass Licht sich allein mit dieser Eigenschaft, der Wellenlänge, kategorisieren lässt, weil die Wellenlänge von Licht ganz grundlegend das Verhalten und die Eigenschaften von Licht bestimmt. Licht mit einer sehr großen Wellenlänge trägt vergleichsweise wenig Energie mit sich, wogegen Licht mit sehr kurzer Wellenlänge sehr viel Energie mit sich trägt – und alle Möglichkeiten dazwischen.

Die Energie die Licht mit sich trägt hängt somit von seiner Wellenlänge ab! Früher wusste man das noch nicht so genau, was verständlich ist, weil die Eigenschaften von Licht zu messen eine technische Herausforderung darstellt. Und erst mit der Verbesserung der Technik schritt für schritt möglich wurde. Darum hat man Licht früher eher nach seinen Auswirkungen kategorisiert als nach seiner Wellenlänge und Energie.

Darum kennen wir heute mehr die Begriffe: Radio-Welle, Mikro-Welle, Infrarot-Strahlung, Sichtbares Licht, Ultraviolettes Licht, Röntgen-Strahlung, Gamma-Strahlung und Kosmische Strahlung. Tatsächlich sind alle diese Phänomene ein und das selbe: Licht. Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist die Wellenlänge und somit die Energie des Lichts. In unserem Sprachgebrauch verwenden wir das Wort “Licht” normalerweise nur für das sichtbare Licht. Sichtbares Licht unterscheidet sich dennoch lediglich durch seine Wellenlänge von, zum Beispiel, Röntgenstrahlung.

Dass in unserem Sprachgebrauch manches Mal von “Welle” und manches Mal von “Strahlung” die Rede ist, ist ebenso historisch gewachsen. In der Physik spricht man übergreifend vom “Elektromagnetischen Spektrum”, von elektromagnetischer Strahlung oder von elektromagnetischen Wellen – alles das selbe: Licht.

In Fotografie und Film interessierten wir uns natürlich hauptsächlich für den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Aber nicht nur! Um an dieser Stelle wieder eine Zahl zu nennen. Die Wellenlänge von Sichtbarem Licht reicht grob von etwa 450 Nanometer bis etwa 650 Nanometer (1 Nanometer ist 0,000000001 Meter).

Diese unterschiedlichen Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind das, was wir als Farben kennen! So ist Licht mit etwa 450 Nanometer rotes Licht, mit 550 Nanometer Grün und mit 650 Nanometer Blaues Licht. RGB (RotGrünBlau). Genau wie jeder Bildsensor und jeder Bildschirm, schlüsselt auch die Netzhaut unserer Augen das sichtbare Licht in diese drei Farbkanäle auf. Und die Mischung dieser drei Farbkanäle ermöglicht umgekehrt das darstellen von allen Farben “dazwischen”.

Das bedeutet nicht nur, dass kein Mensch, zum Beispiel, Gelb wirklich sehen kann. Sondern Gelb entsteht in unserem Gehirn bei einer bestimmten Mischung von Rot und Grün. Zugleich kann ein Bildschirm kein Gelbes Licht aussenden, sondern das Gelb, dass wir am Bildschirm sehen, entsteht ebenso erst durch das Mischen von rotem und gelbem Licht, dem Überlagern von rotem und gelbem Licht. Erinnert ihr euch an die Erklärung von Überlagerung von Wellen oben?

An dieser Stelle sei erwähnt, dass es durchaus moderne Varianten der OLED Bildschirmtechnik gibt, die mit weiteren Pixeln, zusätzlich zu Rot, Grün und Blau arbeiten. Aber diese Technik ist noch nicht weit verbreitet, wird es aber in Zukunft ermöglichen Farben auf Bildschirmen noch exakter wiederzugeben.

Nun könnte man sich die Frage stellen – und das ist nebenbei eine ganz wesentliche Frage auch für Fotografie und Film – warum wir Menschen (und auch viele andere Lebewesen) mit unseren Augen genau diesen sehr begrenzten Teil des elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen können. Die Antwort auf diese Frage ist so einfach wie gleichzeitig spannend! Und zwar weil unsere Sonne genau in diesem Teil des Spektrums am stärksten strahlt! Somit ist dies die hellste und beste Lichtquelle in der Natur, mit dessen Hilfe Lebewesen auf der Erde optisch navigieren können. Zugleich hat dieser Teil des Spektrums die Eigenschaft, dass Licht mit diesen Wellenlängen gut mit Materie interagiert. Also reflektiert oder absorbiert wird – und nicht wie zum Beispiel Röntgen- oder Gamma-Strahlung, die durch viele Stoffe einfach hindurch saust, was für optische Navigation unbrauchbar ist.

Nun haben wir einige grundlegende Eigenschaften und Zusammenhänge erläutert, um besser zu verstehen, was Licht ist. Als nächstes klären wir die Frage, wie Licht entsteht.

Um die Frage nach dem Entstehen von Licht anzugehen, muss ich an den Zusammenhang zwischen Wellenlänge und der Menge an Energie die Licht mit sich trägt erinnern. Denn Licht entsteht immer dann, wenn in der Natur ein Prozess abläuft, der dem Energieniveau der jeweiligen Wellenlänge entspricht. Um also Rotes Licht zu erzeugen, muss man einen Prozess auslösen, der exakt im richtigen Energieniveau abläuft. Möchte man aber Röntgen-Strahlung erzeugen muss man einen Prozess mit viel höherer Energie auslösen, damit Licht mit so kurzer Wellenlänge freigesetzt werden kann.

In einer klassischen Halogenlampe, in einer Leuchtstoffröhre, in einer alten Glühbirne und in allen anderen Leuchtmitteln geschieht genau das! In einer Leuchtstoffröhre beispielsweise wird Gas mithilfe von Elektrizität so angeregt, dass das Gas genau diese Energiemenge wieder abgeben kann – stark vereinfacht ausgedrückt. Die einzige Ausnahme an dieser Stelle ist die Halbleitertechnik, also LED´s. Aber abgesehen von Leuchtdioden, braucht es stets das passende Energieniveau, welches sich als Temperatur äußert. Darum sind klassische Lampen heiß! Sie müssen heiß sein, damit sie im passenden Energieniveau arbeiten. Unsere Sonne hat eine Oberflächentemperatur von etwa 5500 Grad Celsius. Jedes Objekt mit dieser Temperatur würde perfektes sichtbares Licht aussenden. Wir nennen das auch Tageslicht. Da wir in unserem Alltag nur ungern so heiße Lampen verwenden möchten – nicht nur weil dies auch entsprechend viel elektrische Energie bedürfen würde – müssen wir bei künstlichem Licht immer abstriche machen. Tageslichtlampen versuchen die Strahlung bei genau dieser Temperatur zwar möglichst zu imitieren, müssen aber natürlich ebenso Kompromisse machen.

Diese Abstriche und Kompromisse bei künstlichem Licht und den Folgen, sowie den Umgang damit in Foto und Film, benötigt einen eigenen Artikel. Gleich vorab sei aber erwähnt, dass dies ein ganz wesentlicher Aspekt von künstlichem Licht bei der Fotografie und bei Filmproduktionen darstellt! Nicht nur mit technischer, sondern auch in künstlerischer, kreativer Betrachtung!

Licht ist zusammengefasst ein ganz fundamentaler Bestandteil unserer Welt mit vielfältigen Eigenschaften. Die Geschwindigkeit mit welcher sich Licht ausbreitet ist schneller als jede andere Geschwindigkeit – stellt sogar die maximal mögliche Geschwindigkeit in unserem Universum dar. Es breitet sich aus wie eine Welle, kann sich mit anderen Lichtwellen überlagern (man nennt es auch Interferenz) und zeigt viele andere Eigenschaften, die ganz speziell nur Wellen haben können. Zugleich kann Licht auch mit anderen Teilchen stoßen. Der Photoeffekt. Wir Menschen sehen nur einen sehr kleinen Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums, der auf das Spektrum unserer Sonne angepasst ist. In der Technik versuchen wir genau dies nachzuahmen, müssen aber meist Kompromisse eingehen. Zugleich nutzen wir in der modernen Welt nicht nur den sichtbaren Ausschnitt des Spektrums, sondern nahezu das gesamte Spektrum.

In den folgenden Artikeln dieser Serie zum Thema “Licht”, werde ich versuchen viele weitere Eigenschaften und Aspekte von Licht in Zusammenhang mit Fotografie und Film zu erläutern. Mit diesen Augen betrachtet entlocken wir diesem Thema nicht nur das ein oder andere “warum”, sondern finden auch eine Quelle an Inspiration und Kreativität. Seit gespannt!