W ie viele Farben brauch t ein C omputermonitor? W ieso leuch ten

Primärfarben Rot, Grün und Blau werden von jedem Bildschirmpunkt in jeweils unterschiedlicher Stärke
ausgesendet. Die Zapfen des menschlichen Auges sehen diese und setzen durch additive Farbmischung die
gewünschte Farbe zusammen. Ihre Bildschirme zu Hause sind in der Lage, aus den drei Grundfarben ca.16,7
Millionen verschiedene Farbtöne für unser Auge zu mischen. Demonstriert wird dies durch ein Penscope ein USB-Mikroskop, das die Farbpixel vergrößert. In einem weiteren Versuch halten Sie die Hand in den
weißen Lichtkegel eines Beamers. Die Hand wirft einen schwarzen Schatten. Bewegen Sie nun die Hand im
Lichtkegel schnell hin und her, werden die Schatten farbig. Das weiße Licht wird, wie bei den Bildschirmpunkten, aus den drei Primärfarben zusammengesetzt, indem sich ein Farbrad sehr schnell dreht. Die Trägheit des Auges kann die Farben nicht auflösen. Wird die Hand schnell bewegt, entsteht der Schatten der
verschiedenfarbigen Folien an verschiedenen Stellen der Wand. Gleichzeitig fällt aber Licht der anderen
Folien auf diese schwarzen Schattenflächen und machen sie farbig: Der Schatten der roten Folie wird blau
und grün beleuchtet und erscheint cyan. Der Schatten der blauen Folie wird rot und grün beleuchtet und
erscheint gelb. Der Schatten der grünen Folie wird blau und rot beleuchtet und erscheint magenta. Da die
Hand sich bewegt, erscheinen die verschiedenfarbigen Schatten an unterschiedlichen Stellen der Wand.
Was passiert nun im Versuch zu der addtitven Farbmischung?
Rot und Grün ergibt Gelb, Grün und Blau werden zu Cyan. Nichts anderes passiert, wenn Sie auf Ihren Computermonitor oder einen Fernseher blicken. Die drei
In diesem Fall empfangen wir mit dem Auge das Licht mit der Farbe, deren Wellenlängen vom beleuchteten
Objekt nicht absorbiert sondern reflektiert werden – das ist subtraktive Farbmischung. Beispiel: Grüne Blätter
reflektieren grünes Licht gut und absorbieren rot und blau gut. Objekte, die türkis aussehen, absorbieren rot.
Ein roter Gegenstand "schluckt" die Farben Grün und Blau und reflektiert das Rot, woraufhin wir den Gegenstand dann auch als rot wahrnehmen. Objekte absorbieren die Komplementärfarbe ihrer Farbe. Das heißt,
malt man ein farbiges Objekt mit seiner Komplementärfarbe an, wird es schwarz. Die Summe aller Körperfarben ist schwarz. Die Summe zweier Komplementärfarben ist ebenfalls schwarz.
Die Farben von nicht selbst leuchtenden Objekten heißen Körperfarben.
nen Lichtfarben (Wellenlängen) erzeugt die Farbe des Objektes – das ist additive Farbmischung. Beispiel: rot,
grün und blau ergibt weiß, rot und grün ergibt gelb (wie oben), doppelt so viel rot wie grün ergibt orange.
Die Summe aller Lichtfarben (Wellenlängen) ist weiß. Komplementärfarben ergänzen sich ebenfalls zu Weiß.
Beispiel: Magenta enthält kein Grün, aber Grün und Magenta zusammen ergeben Weiß.
sehen Gegenstände mit bestimmten Farben, weil Licht entsprechender Wellenlänge von diesen Gegenständen in unser Auge fällt.
Die Farben selbst leuchtender Objekte heißen Lichtfarben. Die Summe der verschiede-
Das Auge kann Licht verschiedener Wellenlängen wahrnehmen. Das menschliche Auge hat drei unterschiedliche Sorten von Zapfen. Dies sind die Sinneszellen, die für die Wellenlängen der Farben Rot, Grün und Blau
besonders empfindlich sind. Deshalb sind diese drei Farben die sogenannten Primärfarben. Jede Wellenlänge wird als eine bestimmte Farbe „gesehen“. Jede von uns wahrgenommene Farbe kann aber auch aus
verschiedenen Wellenlängen bestehen. Beispiel: Gelbes Licht kann Licht der Wellenlänge 570 nm sein, das
die roten und grünen Zapfen ähnlich stark anregt. Besteht das Licht aus zwei Wellenlängen, den Farben Rot
(680 nm) und Grün (530 nm), „sieht“ das Auge ebenfalls die Farbe Gelb. Andererseits sehen wir auch Farbtöne aus verschiedenen Wellenlängen, die man nicht mit einer einzigen Wellenlänge erzeugen kann. Wir
Wie viele Farben braucht
ein Computermonitor?
besitzt, lassen die optischen Aufheller die Kleidungsstücke auf diese Weise heller scheinen. Auch in
Leuchtstoffröhren wird ultraviolette Strahlung, die in der Röhre entsteht, mit Hilfe einer Fluoreszenzschicht in sichtbares Lichts umgewandelt. Zudem werden unsere Geldscheine dank Fluoreszenz
sicherer. In die Euro-Banknoten sind fluoreszierende Fasern eingelassen. Wenn die Noten nun mit
UV-Strahlung beschienen werden, leuchten auf der Banknotenvorderseite beispielsweise die europäische Flagge, die Unterschrift des EZB-Präsidenten sowie die Sterne. Fluoreszenz ist darüber hinaus
Gegenstand moderner Forschung; man kann viel über den Aufbau von Molekülen und Atomen
lernen. Zum Beispiel werden in der Astroteilchenphysik Teilchenschauer, die durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre ausgelöst werden, mit Hilfe des Fluoreszenz-Phänomens untersucht. Das
Auger-Experiment weist die geladenen Teilchen dadurch nach, dass diese die Stickstoffmoleküle der
Luft anregen, die dann wiederum Fluoreszenz-Licht aussenden. Anhand des Lichts kann auf die
Eigenschaften der ursprünglichen kosmischen Strahlung geschlossen werden.
beispielsweise in den optischen Aufhellern von Waschmitteln ihren Dienst: Wird ein damit
gewaschenes weißes T-Shirt etwa in der Disco mit einer Schwarzlichtlampe
beschienen, so wandelt Fluoreszenz die unsichtbare ultraviolette (UV)
Strahlung in sichtbares Licht um. In normalem Sonnenlicht, das auch einen UV-Anteil
über Zwischenschritte, so dass Licht anderer Energie also auch anderer Wellenlänge entsteht.
Dieses Phänomen heißt Photolumineszenz. Und wenn die Energieabgabe dabei ohne große zeitliche
Verzögerung erfolgt, spricht man von Fluoreszenz. Fluoreszenz findet sich vielerorts. Sie leistet
Dabei wandeln Atome und Moleküle unsichtbare Strahlung in sichtbares
Licht um. Fällt elektromagnetische Strahlung wie etwa Licht auf ein geeignetes Material, so kann dies die Teilchen mit zusätzlicher Energie versorgen;
man sagt, sie werden angeregt. Doch dieses Mehr an Energie geben die
Atome meist schnell wieder ab - im einfachsten Fall, indem sie Strahlung
derselben Energie aussenden. Bei manchen Atomen erfolgt die Energieabgabe aber auch
Wenn T-Shirts, Haarschuppen oder Geldscheine in besonderem Licht zu leuchten beginnen, könnte
es an fluoreszierenden Bestandteilen liegen. Diese wandeln unsichtbare Ultraviolett-Strahlung einer
Schwarzlichtlampe in sichtbares Licht um. Der Grund dafür liegt in der sogenannten Fluoreszenz.
Wieso leuchten T-Shirts
in der Disco?
würde Licht genau wie Schall reagieren, gäbe es kaum Schatten in der Welt. Man denke nur daran,
wenn im Sommer die Sonne glüht: Weder Hut noch Schirm könnten Schutz bieten vor den sengenden Strahlen.
len ganz anders verhalten, liegt an der Dimension ihrer Wellenlängen: Die
messen nur wenige Millionstel Meter, werden demnach nur um mikroskopisch kleine Objekte gelenkt. Treffen Lichtwellen auf ein größeres Hindernis, entsteht dadurch ein Schattenbereich, in den keinerlei visuelle Information dringt – der also dunkel bleibt. Für uns Menschen ist das ein Glück; denn
Möbel, beugt sich um Ecken – und dringt so selbst in verwinkelte Räume. Dass sich Lichtwel-
Umständen ändern die Wellen ihre Richtung, sie werden von einem Hindernis abgelenkt, knicken
also gleichsam ein Stück weit um. Jeder kennt den Effekt – etwa wenn Meereswogen auf einen aus
dem Wasser herausragenden Fels, einen Pfahl oder die Ecke einer Kaimauer treffen und das
entsprechende Hindernis umspülen. Wie stark die Wogen von dem Objekt abgelenkt werden,
hängt von ihrer Länge ab: Darunter versteht man den Abstand zwischen zwei Wellenbergen.
Schon im
17. Jahrhundert erkannten Forscher: eine Welle wird dann besonders stark gebeugt, wenn das
Hindernis, auf das sie trifft, in seiner Größe ungefähr der Wellenlänge entspricht – oder wenn es
kleiner ist als die Wellenlänge. Schallwellen haben (ähnlich wie Wasserwogen) in der Regel Wellenlängen von einigen Zentimetern bis zu mehreren Metern. Sie gelangen leicht um viele Hindernisse,
die sich ihnen in unserer Alltagswelt entgegenstellen. In einem Haus etwa können sich zwei Personen über mehrere Etagen oder aus verschiedenen Räumen mehr oder minder problemlos unterhalten: Der Schall knickt an Türrahmen ab, an Treppenstufen, umrundet Schränke und andere
vorzudringen vermag, die für Licht im Schatten liegen, beruht auf einer
physikalischen Eigenschaft von Wellen, der „Beugung“: Unter bestimmten
Offenbar kann Schall also, anders als das Licht, um Ecken gelangen. Dass Schall in Bereiche
vergleichbar mit der von Wasserwellen, die sich gleichmäßig in alle Richtungen fortpflanzen, wenn
etwa ein Stein in ein Gewässer fällt. So schnell sind diese akustischen und visuellen Informationen,
dass wir herannahende Objekte, etwa einen Zug oder ein Flugzeug, schon aus großer Entfernung
zu hören und zu sehen vermögen. Allerdings kommt es vor, dass ein Hindernis, beispielsweise eine
Hauswand, unsere Sicht auf ein sich solcherart näherndes Objekt versperrt. Dennoch sind wir
normalerweise in der Lage zu hören, ob von dem betreffenden Objekt Geräusche ausgehen.
hin und her, beim Licht sind es materielose Energiefelder. Deren Ausbreitung ist
breiten sie sich in Form von Kugelwellen aus. Beim Schall bewegen sich Luftmoleküle
Schall und Licht, so unterschiedlich sie uns erscheinen mögen, haben eines gemeinsam: Im Raum
Warum kann man um
die Ecke hören aber nicht sehen?
gleichzeitig unten an, wie es in unserem Versuch auch zu sehen ist.
dass die Objekte jeweils für einen bestimmten Weg eine Zeit brauchen,
die nur in Abhängigkeit zur Erdbeschleunigung steht - und nicht in Abhängigkeit zur Masse. In einem Vakuum kommen demnach Feder und Bleikügelchen
gen zu tun. Betrachtet man dazu das Fallgesetz, so kann man entnehmen,
von zwei gleichförmigen Objekten eines eine extrem kleine Masse besitzt, wie im Versuch Feder
und Bleikügelchen. Im Versuch befinden sich zwei Röhren, die jeweils mit einer Feder und einem
Bleikügelchen gefüllt sind. Der Unterschied der beiden Röhren besteht darin, dass in einer Röhre
Luft und in der anderen Röhre ein Vakuum ist. Dreht man die beiden Röhren, fallen die Objekte
nach unten. Es wirkt jeweils die Gewichtskraft, somit haben wir es mit beschleunigten Bewegun-
Je geringer die Masse des fallenden Objekts, desto stärker wirkt sich die
Bremskraft des Luftwiderstandes aus. Das lässt sich vor allem dann beobachten, wenn
würde – zu einer kompakten Kugel zusammen, fällt es fast wie ein Stein nach unten. Hinzu kommt:
eines Gegenstandes, desto stärker ist der Luftwiderstand, desto langsamer also der Fall. Knüllt man ein Blatt Papier – das normalerweise sacht zu Boden flattern
mathematischer Formeln berechnen. Vereinfacht gilt dabei: Je größer die Angriffsfläche
besonders niedrigen Widerstand entgegen. Jede Fläche quer zur Fallrichtung, gegen die die Luft
also von unten strömt, erhöht dagegen den Widerstand, bremst somit den Fall. Wie genau sich
Kanten, Dellen und Unebenheiten auswirken, können Physiker und Ingenieure mit Hilfe komplexer
stände rascher fallen als andere in Luft, hat allein mit der Erdatmosphäre
zu tun. Denn die Luft stellt allem, was sich durch sie hindurchbewegt,
einen Widerstand entgegen. Die an einem fallenden Körper vorbeiströmende Luft hemmt also die Beschleunigung. Wie stark der Luftwiderstand
ein Objekt abbremst, hängt vor allem von seiner Form ab – und der Angriffsfläche, die er bietet. Die Gestalt eines fallenden Tropfens etwa setzt der Luft einen
ist die Masse eines Objektes offenbar nicht der entscheidende Faktor? Dass manche Gegen-
Mit ihrer großen Masse von rund sechs Trilliarden Tonnen entfaltet die Erde eine enorme Anziehungskraft. Sie zerrt an sämtlichen Objekten, sorgt dafür, dass der Mond auf seiner Umlaufbahn
bleibt, dass Flüsse ins Meer fließen oder dass ein Skifahrer eine Piste hinunterschießt. Nirgendwo
aber offenbart sich die Macht der Schwerkraft deutlicher als beim freien Fall – dann also, wenn ein
Gegenstand in kürzester Zeit enorm beschleunigt wird und in Richtung Erde stürzt. Schwere
Objekte – das lehrt die Alltagserfahrung – fallen schneller als leichte. Seltsam ist allerdings Folgendes: Lässt man eine Milchtüte von einem Kilogramm Masse und ein Stück Blei, das bei gleicher
Form und Größe mehr als elf Kilogramm wiegt, aus etwa einem Meter Höhe fallen, scheinen die
Objekte gleich schnell auf den Boden zu stürzen. Was also bestimmt wirklich über die Geschwindigkeit beim freien Fall? Warum rast ein Stein so viel schneller zu Boden als eine Feder? Und wieso
Warum fällt ein Stein
schneller zu Boden als eine Feder?
LBCFMTPHVUGVOLUJPOJFSFOMÊTTU5PUBMSFøFYJPO-JDIUXFMDIFTVOUFSFJOFNCFTUJNNUFO8JOLFMJOEFO
8BTTFSöMNFJOUSJUUXJSEJN*OOFSFOBOEFO(SFO[øÊDIFOJNNFSXJFEFSSFøFLUJFSUCJTFTWPMMLPNNFO
absorbiert ist. Dieses Licht geht für die Reflexion unweigerlich verloren. Wenn Licht von der Festkörperoberfläche reflektiert wurde, muss es übrigens auf seinem „Rückweg" nochmals den Wasserfilm
durchdringen, bevor wir es überhaupt sehen können. Wir wissen ja nun schon, was auf dem Weg alles
QBTTJFSFOLBOO#FJN&JOESJOHFOJOEFO8BTTFSöMNXJSEEBTEVSDIHFMBTTFOFvUSBOTNJUUJFSUF
-JDIU
auch noch in seiner Richtung abgelenkt und gestreut. Die Streuung bewirkt bei rauen Oberflächen,
dass das Licht in tiefer gelegene Regionen der Oberfläche gelangt, wo es weniger Chancen hat,
wieder reflektiert zu werden.
Die Antwort auf unsere Frage, warum feuchte Oberflächen dunkler ausseIFOLÚOOFOBMTUSPDLFOFMJFHUJOEFN5FJMEFT-JDIUFTEFSJOEFO8BTTFSöMN
absorbiert wird.&TLBOOJN8BTTFSöMN[VTÊU[MJDI[VNHMFJDIFO&òFLULPNNFOEFSFJO(MBTGBTFS-
t&JO5FJMEFT-JDIUTUSBIMTXJSEBOEFS8BTTFSPCFSøÊDIFSFøFLUJFSU
t&JO5FJMEVSDIESJOHUEJF8BTTFSPCFSøÊDIFVOELBOO
absorbiert werden.
t&JO5FJMEVSDIESJOHUEJF8BTTFSPCFSøÊDIFVOEHFMBOHUNJUUFMT
5SBOTNJTTJPO[VS'FTULÚSQFSPCFSøÊDIFXPOVOXJFEFSVN
3FøFYJPO"CTPSQUJPOPEFS5SBOTNJTTJPOTUBUUöOEFOLÚOOFO
Betrachten wir nun einen Lichtstrahl, der eine nasse Oberfläche trifft, auf der sich also ein dünner
Wasserfilm befindet:
&THJMUEBTTEJF4VNNFBVTSFøFLUJFSUFNBCTPSCJFSUFNVOEUSBOTNJUUJFSUFN
"OUFJMJNNFSTFJONVTT-JDIUHFIUBMTPOJDIUWFSMPSFO
t&JO5FJMWPOJINXJSESFøFLUJFSUEJFTLBOOvHFSJDIUFUTQJFHFMOEF0CFSøÊDIF
PEFS
vEJòVTSBVF0CFSøÊDIF
FSGPMHFO
t&JOBOEFSFS5FJMEFT-JDIUTUSBIMTXJSEWPN'FTULÚSQFSBCTPSCJFSUvBVGHFOPNNFO
t&JOXFJUFSFS5FJMEFT-JDIUTUSBIMTXJSEEVSDIEFO'FTULÚSQFSUSBOTNJUUJFSUvEVSDIHFMBTTFO
Betrachten wir zunächst einen Lichtstrahl, der eine trockene Oberfläche eines Festkörpers erreicht:
Wenn eine Oberfläche weniger Licht reflektiert, erscheint sie uns dunkler.
auch den „Lotuseffekt".
Oberfläche. In einigen Fällen findet keine Benetzung statt: das Wasser perlt ab, man nennt dies
benetzt. Benetzung ist abhängig vom Material und der Beschaffenheit der
Wasser ist farblos, aber nasser Sand, nasse Kleidung, nasse Haare - sie sehen alle dunkel aus. Warum?
Wird eine Oberfläche "nass", dann sagt man dazu auch, dass sie „benetzt" ist. Die benetzende Flüssigkeit ist in unserem Fall Wasser. Auf vielen Oberflächen wird ein Wassertropfen zu einem Wasserfilm - er
Warum erscheinen Materialien
dunkler, wenn sie feucht sind?
Warum leuchtet Feuer?
Materialien entwickeln charakteristische Flammenfarben. So entfacht das flüchtige Propan,
das einem Gasherd entströmt, eine Temperatur bis zu 2000 Grad Celsius – ohne dass es hell
erstrahlt. Doch bereits eine winzige Menge bestimmter Metalle reicht, um das blassblaue
Lodern in satten Farbtönen leuchten zu lassen. Wirft man etwa eine Prise Kupferpulver in die
Flamme, nehmen die Metallatome Energie auf, die sie augenblicklich wieder als farbiges Licht
aussenden: Plötzlich erstrahlt ein giftiges Grün. Lithiumstaub taucht jedes Feuer in grelles Pink,
Kalium wiederum erzeugt ein kräftiges Violett, und etwas Kochsalz färbt jede Flamme intensiv
gelb. Dieser Effekt wird „Flammenfärbung“ genannt.
tikel heizen sich in der Flamme nun so stark auf, dass sie bis zur sogenannten Weißglut gebracht werden. Das heißt, sie senden hellgelbes
Licht aus. Dass ein Lagerfeuer, eine Kerze, eine Öllampe hell gelbrötlich scheinen, liegt also einzig am Ruß. Gänzlich rußfreie Flammen
dagegen leuchten nur bläulich, und seien sie noch so heiß. Auch andere
einigen Hundert Grad jedoch glüht ein Körper rötlich (etwa eine Herdplatte). Die Rußpar-
Bei einem kalten Gegenstand ist diese Strahlung für das menschliche Auge nicht sichtbar. Ab
Teilchen fangen an zu glühen. Das liegt an einem fundamentalen Naturgesetz, nach dem jeder Körper – auch wenn er noch so klein ist wie
ein Rußpartikel – allein wegen seiner Temperatur Strahlung aussendet.
keln wie wild zu vibrieren. Die schnelle Bewegung der Atome hat einen sichtbaren Effekt: Die
che Schein umkränzt den Docht einer Kerze oder züngelt um die Scheite eines Lagerfeuers.
Aus den hohen Temperaturen (schon eine Kerzenflamme kann weit über 1000 Grad Celsius
heiß werden) resultieren zwei wichtige Effekte: Zum einen lösen sich immer mehr Gase aus
dem Brennstoff – das Feuer schürt sich also gleichsam selbst. Zum anderen entsteht erst durch
die enorme Hitze der auffälligste Teil einer Flamme: der helle gelb-rötliche Bereich. Denn
neben den flüchtigen Gasen (zumindest bei den meisten Brennstoffen) steigen auch zahllose
winzige Rußpartikel empor. Diese nur wenige Millionstel Millimeter messenden Teilchen
bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff. Durch die Hitze beginnen die Atome in den Rußparti-
von Strahlung frei, die wir als bläuliches Licht wahrnehmen. Jener bläuli-
etliche Gase (etwa Kohlendioxid) sowie Wasser und Wärme und es wird Energie in Form
Das Licht des Feuers ist unverzichtbarer Teil der Menschheitsgeschichte. Weshalb aber Feuer
überhaupt hell ist, was also der Natur der Flammen zugrunde liegt, vermögen Forscher erst
seit wenigen Jahrzehnten im Detail zu erklären. Erst seit bekannt ist, wie die Bausteine der
Materie aufgebaut sind, die Atome und Moleküle, und was genau geschieht, wenn die winzigen Teilchen miteinander reagieren. Ganz gleich, welcher Stoff verbrennt, Papier oder Öl, Holz
oder Gummi – stets verbinden sich die Moleküle, aus denen die brennbaren Materialien
bestehen, in hochkomplexen Prozessen mit dem Sauerstoff aus der Luft. Dabei entstehen
Warum ist der Himmel blau?
Der größere Teil des Lichtes erreicht unsere Augen jedoch ungestreut. Deshalb erscheint
die Sonne weiß - solange sie hoch am Himmel steht. Das ändert sich bei einem Sonnenauf- oder Sonnenuntergang. Weil unser Zentralgestirn dann tief am Horizont steht, müssen
seine Strahlen dann länger durch die Atmosphäre reisen als zu den anderen Tageszeiten.
Auf den langen Strecken der Morgen- und Abendstunden wird dann fast das gesamte
kurzwellige blaue Licht herausgestreut, so dass nur noch langwelliges Rot und Orange
beim Betrachter ankommen. Dadurch erklären sich die Rottöne der dämmernden Sonne.
Die „gestreuten“ blauen Lichtwellen verbreiten sich so im Zickzack
über das gesamte Firmament und gelangen schließlich über viele
Umwege zum Erdboden. Sie kommen nun nicht mehr direkt von
der Sonne, sondern gelangen aus völlig anderen Richtungen ins
Auge des Betrachters und geben so dem Himmel seine blaue Farbe.
werden blaue Strahlen aus der Bahn geworfen, sie bewegen sich dann in neue Richtungen
fort, treffen erneut auf Atmosphärenteilchen, werden wiederum abgelenkt – und so weiter.
komplizierte Weise. So haben blaue Lichtstrahlen kürzere Wellenlängen
und schwingen häufiger pro Sekunde. Sie reagieren daher öfter mit
den winzigen Atmosphärenteilchen als die langwelligen roten
Lichtstrahlen – und werden weitaus häufiger abgelenkt. Auf diese Weise
wir das Licht als weiß. Auf dem Weg zur Erdoberfläche stößt dieses weiße Licht auf die
Teilchen der Erdatmosphäre – auf Gasmoleküle wie Sauerstoff und Stickstoff sowie unter
anderem auf Staubkörner. Gelegentlich kollidiert eine Lichtwelle auf ihrem Weg mit einem
dieser Teilchen. Dann wird sie aus der Bahn geworfen, verändert ihre Richtung. Physiker
sagen, das Licht wird „gestreut“. Diese Kollisionen verlaufen allerdings auf eine äußerst
darüber, welche Farbe unsere Augen wahrnehmen. Langwellige Lichtwellen
erscheinen uns als rot, etwas kürzere Wellen als orangefarben, dann
folgen gelb, grün und blau. Treten alle Wellenlängen als Gemisch auf, empfinden
und die Gasteilchen der Atmosphäre miteinander agieren. Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen, die unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Wellenlänge entscheidet
hängt mit der Erdatmosphäre zusammen. Und mit der Art, wie Lichtstrahlen
eine blaue Lichtquelle. Dass uns der irdische Himmel dennoch blau erscheint,
Eigentlich ist es doch nur das weiße Sonnenlicht, das den Tag erhellt – nirgendwo existiert
entzieht – lässt sich auf Brände jeder Größe anwenden. Spritzt die Feuerwehr Wasser auf ein
loderndes Haus, kühlt sie damit vor allem den Brandherd und die von ihm aufsteigenden Gase ab,
sodass sie nicht mehr brennen können. Die umliegenden Oberflächen zu kühlen kann zudem
verhindern, dass weitere entzündbare Gase von ihnen aufsteigen. Haushaltsfeuerlöscher wiederum
versprühen oft dichten Schaum, der sich wie eine Decke auf den Brand legt und die Flammen
unter anderem von ihrer Sauerstoffzufuhr abschneidet. Und auch große Feuer kann man im Prinzip
ausblasen. Allerdings ist so etwas nur dann sinnvoll, wenn der Luftstoß stark genug ist, um die
Flammen vom Brandherd zu trennen.
einer Kerze nicht der Docht, sondern die ihn umgebende Wolke entflammbarer Wachsdämpfe. Sie entzündet sich am äußersten Rand der
Flamme, wo Temperaturen bis zu 1400 Grad Celsius erreicht werden.
Blasen wir auf die Kerze, unterbrechen wir diesen Prozess gleich auf zweierlei Weise. Zum einen drückt der Luftstoß die Wolke aus Wachsdämpfen
vom Docht weg. Dadurch wird die Flamme von der Brennstoffquelle getrennt; ihr fehlt der Nachschub, sie erlischt. Zum anderen sinkt ohne
Flamme die Temperatur am Docht, sodass sich die Wachsdämpfe nicht
erneut entzünden: sondern unverbrannt als weiße Rauchsäule emporsteigen. Diese Taktik – Feuer zu löschen, indem man ihm eine oder mehrere seiner drei Zutaten
verdampft, sich entzündet und weitere Hitze erzeugt. Genau genommen, brennt in
Dass sich Kerzen auspusten lassen, ist im Grunde überraschend. Schließlich facht zusätzliche Luft
normalerweise eine Flamme an: Wind entfesselt einen Waldbrand, ein Blasebalg bringt das Kaminfeuer zum Lodern. Was unterscheidet das Kerzenfeuer also von anderen Flammen? Im Prinzip
nichts. Weshalb sich eine Kerze auspusten lässt, wird erst verständlich, wenn man sich klarmacht,
wie Feuer funktioniert: Flammen benötigen drei Zutaten, um weiterbrennen zu können – Brennstoff, Wärme und Sauerstoff. Beim Brennstoff kann es sich etwa um Papier, Holz, Wachs, Benzin
oder Erdgas handeln. Als zweite Zutat braucht Feuer Sauerstoff: Denn Verbrennung ist ein chemischer Prozess, bei dem sich in der Regel Kohlenstoffatome aus dem Brennstoff mit Sauerstoffatomen der Luft zu Kohlendioxid und Wasser verbinden. Doch damit dies überhaupt so ablaufen
kann, muss der Brennstoff auf seine Zündtemperatur erhitzt werden, etwa durch einen Funken.
Brennt das Feuer erst einmal, erzeugt es meist selbst genug Hitze, um die Verbrennung in Gang zu
halten. Zudem hat die hohe Temperatur oft noch eine zweite Funktion: Denn was eine Flamme
füttert, ist nicht der feste oder flüssige Stoff, sondern es sind Gase, die von ihm aufsteigen. Und das
geschieht bei einem Feststoff meist erst, wenn er sehr heiß wird. Um eine Kerze zu entzünden, wird
also zunächst durch ein Streichholz Wärme erzeugt. Die schmilzt das Wachs, das als Flüssigkeit im
Docht aufsteigt, sich dort weiter erwärmt, verdampft und entflammt. Es entsteht eine Saugwirkung, durch die weiteres, flüssig gewordenes Wachs von unten nachströmt, das nun ebenfalls
Warum kann man
eine Kerze auspusten?
Siedepunkt, schaffen es große Blasen ganz nach oben. Weil im Durchschnitt
immer weniger Bläschen implodieren, sondern an der Wasseroberfläche
platzen, wandelt sich das Rauschen
in ein Blubbern.
immer weiter nach oben steigen, bevor sie wieder implodieren. Ist die Temperatur nahe dem
diesen Vorgang von der Heizplatte des Wasserkochers wegtransportiert. So erwärmt sich nach und
nach das ganze Wasser im Kocher, die entstehenden Bläschen werden größer und können auch
die deutlich kälter als das Wasser direkt an Heizplatte sind. Am Rand des
Bläschens kondensiert dadurch ein Teil des Wasserdampfs, aus dem es besteht, ganz ähnlich wie in einem feuchtwarmen Raum Wasser an kalten Glasscheiben kondensiert. Damit verringert sich auch der Druck in dem Bläschen
rapide. Das Bläschen implodiert nun. Das erzeugt wieder eine Druckwelle
und damit auch wieder Schall. Die Energie, die in dem Bläschen gespeichert ist, wird durch
steigen. Schon nach ganz kurzer Zeit erreichen sie dadurch Wasserschichten,
pisch kleinen Bläschen, die anfangs in Heizernähe haften und ab einer bestimmten Größe nach oben
den war. Diese physikalische Mini-Explosion erzeugt eine Druckwelle, die sich
ausbreitet – also nichts anderes als Schall,der als anfängliches Brodeln wahrgenommen wird. Die Ursache für das sich anschließende Rauschen sind ebenfalls die mikrosko-
ist schon einmal die erste Schallquelle: Denn dieser Vorgang dauert nur Bruchteile einer Sekunde. Das
entstandene Wasserdampfbläschen ist etwa hundertmal größer als das Wasser, aus dem es entstan-
heiß, viel schneller als die Wärme an weiter entferntes Wasser abgegeben
werden kann. In sehr kleinen Bereichen kann das Wasser schlagartig aus
dem flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen und verdampfen. Das
dampfbläschen. In der Nähe der Heizung im Wasserkocher wird es sehr schnell
Nachdem ein Wasserkocher eingeschaltet wird, gibt er zunächst kaum ein Geräusch von sich. Erst bei
70°Grad Celsius beginnt er zu brodeln, geht dann in ein Rauschen über, dann wieder in ein Brodeln
und abschließend wird es fast ganz still, bevor man die Wasserbläschen blubbern hört und das Wasser
vollends siedet. Die physikalische Erklärung für diese Geräusche ist zunächst unsichtbar. Es sind
Schallwellen, aus denen sich Geräusche zusammensetzen und sie entstehen wegen winziger Wasser-
Woher kommen die
Geräusche des Wasserkochers?
Lautstärke des Qietschens ist erstaunlich: es kann, für Bruchteile von Sekunden, einen Lärmpegel
erreichen, wie er einen Meter vor dem Lautsprecher einer Diskothek oder vor einem Presslufthammer gemessen wird.
Musiker die Saite eines Instrumentes. Und jedes Kreidestück hat – je nach Länge –
eine „Eigenfrequenz“, bei der es besonders stark mitschwingt, den Ton also
verstärkt und für uns hörbar quietscht. Wie Versuche zeigen, hängt die
Tonhöhe zusätzlich davon ab, wie man die Kreide über die Tafel führt. Die
Das Kreidestück kann man sich dabei als elastischen Stab vorstellen, der immer wieder an den
winzigen Zacken und Spitzen der Tafel hängen bleibt. Die Spitze des Kreidestücks stoppt also,
während es an seinem anderen Ende weiterbewegt wird. Dabei biegt es sich ein klein wenig durch.
Wenn aber die Spannung zu groß wird, zerbröselt die Spitze der Kreide, der dabei entstehende
Staub verringert die Reibung, die Spitze schnellt nach vorn, und das Stück kehrt in den ursprünglichen, nicht verbogenen Zustand zurück. Anschließend beginnt der Zyklus von Neuem, und zwar
im Takt von Millisekunden. Das Ruckgleiten bringt die Kreide ähnlich zum Schwingen wie ein
Kreide. Sowohl die Oberfläche der Tafel als auch die Spitze der Kreide sind
nicht glatt, sondern ähneln in ihrer Mikrostruktur einer Hügellandschaft.
anstrengend, da die Gleitreibung meist bedeutend kleiner ist. Ähnlich ist es bei der
hat, einen Schrank zu verrücken: Hat man den Anfangswiderstand, die Haftreibung, überwunden,
springt der Schrank ruckartig vorwärts. Ihn dann in Bewegung zu halten, ist weitaus weniger
vorbeigleiten, dabei jedoch immer wieder ins Stocken geraten. Dieses
Ruckgleiten, der sogenannte „Haft-Gleit-Effekt“, beruht darauf, dass es
einer größeren Kraft bedarf, um einen ruhenden Körper anzuschieben, als
einen gleitenden in Bewegung zu halten. Das weiß jeder, der schon einmal versucht
ne haben eins gemeinsam: Sie entstehen, wenn zwei Gegenstände aneinander
Qietschende Kreide steht auf der Liste unangenehmer Geräusche ganz oben gleich neben dem
hohen Kreischen, das ein scharfes Messer auf einer Metallflasche erzeugt, und dem schrillen Kratzen einer Gabel auf einem Glas. Was diese und andere Geräusche im Gehirn bewirken, ermittelte
ein britisch-deutsches Forscherteam 2012 mit Hörexperimenten im Kernspintomographen. Das
Team untersuchte die Gehirnaktivität von Versuchspersonen, die 74 unterschiedlichen Geräuschen
ausgesetzt waren. Das Ergebnis: Wenn jene Schwingungen ertönen, die Kreide, Messer und Gabel
erzeugen, löste dies sehr starke Reaktionen im Gefühlszentrum des Denkapparates aus. Die Misstö-
Warum quietscht Kreide
auf der Tafel?
ten Tempo unterwegs, das im Universum möglich ist. Festgelegt wurde die Geschwindigkeit des Lichts,
so vermuten Kosmologen, bei der Geburt des Weltalls. Warum sie sich damals aber auf knapp 300 000
Kilometer pro Sekunde einstellte – und nicht etwa auf 100 000 oder 600 000 Kilometer pro Sekunde -,
ist für Forscher bis heute ein Mysterium.
erreichen. Auf das Licht selbst trifft diese Einschränkung nicht zu, weil es keine
Masse besitzt. Die kann darum auch nicht zunehmen. Deshalb sind Lichtstrahlen mit dem schnells-
extremen leichten, elektrisch negativ geladenen Teilchen konnten nicht auf Lichtgeschwindigkeit
gebracht werden. Immerhin können sie aber über 99,9999999995 Prozent dieses natürlichen Limits
rung an die Geschwindigkeit des Lichts würde die Masse noch rasanter steigen lassen. Denn es ist
mehr Schub nötig, um eine große Masse zu beschleunigen als eine kleine. Es
gibt also eine Grenze für die Geschwindigkeit, die ein materieller Körper erreichen kann. Das bestätigte ein Experiment, in dem Elektronen beschleunigt wurden. Selbst diese
ball ins All schießen und auf 500 Millionen km/h beschleunigen, betrüge seine Masse immerhin schon
62 Gramm. Bei rund 1000 Millionen km/h wären es 146 Gramm und bei 1079 Millionen km/h – das
entspricht rund 99,98 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – bereits 2,5 Kilogramm. Jede weitere Annähe-
braucht dessen Strahl rund 2,5 Sekunden, um die Entfernung zum Mond
zurückzulegen, dort von der Reflektorenoberfläche gespiegelt zu werden und
wieder an seinem Ausgangsort einzutreffen. Mit neuartigen Messmethoden
haben Physiker die Lichtgeschwindigkeit inzwischen präzise ermittelt: Ein
Lichtstrahl legt im Vakuum pro Sekunde 299 792,458 Kilometer zurück. Und
nichts im Universum ist schneller. Mehr noch: Nichts kann schneller sein. Das zumindest postulierte Albert Einstein, als er Anfang des 20. Jahrhunderts seine berühmte Spezielle Relativitätstheorie entwickelte. Aus seinen Formeln ergab sich, dass es
in der Natur eine Höchstgeschwindigkeit geben muss. Warum das so ist, hat
mit der Masse der Dinge zu tun: Jedes Objekt, so besagt Einsteins Theorie,
besitzt mehr Masse, wenn es sich sehr schnell bewegt. Das macht sich allerdings erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten bemerkbar und lässt sich
anhand von Einsteins Formeln berechnen: Könnte man einen 55 Gramm schweren Tennis-
rem Reflektoren. Richtet man nun von der Erde aus einen starken Laser darauf, so
Lange dachten die Menschen, Licht sei unendlich schnell. Sie glaubten, dass es ohne Verzögerung von
einem Punkt A zu einem Punkt B gelange. Die Alltagserfahrung scheint das zu bestätigen: Knipst man
abends eine Lampe im Haus an, füllt ihr Licht augenblicklich den ganzen Raum, und eine Taschenlampe
erreicht mit ihrem Strahl selbst weit entfernte Gegenstände, ohne dass man eine Verzögerung bemerkt.
Doch schon im 17. Jahrhundert erkannten Forscher anhand ausgeklügelter astronomischer Beobachtungen der Planeten sowie komplizierter mathematischer Berechnungen, dass Licht zwar eine immens
große, aber doch endliche Geschwindigkeit hat. Heutzutage lässt sich das recht einfach demonstrieren.
Denn als Astronauten der Apollo-Missionen auf dem Mond landeten, deponierten sie dort unter ande-
Warum ist nichts
schneller als das Licht?
Erde. Die Gravitationswechselwirkung hält ihn fest auf seiner Bahn. Und ebendeshalb wirkt der
Mond auch auf die Erde. Seine Erdumrundung bewirkt Ebbe und Flut. Riesige Wassermengen
folgen seiner Stellung zur Erde und bilden die Gezeiten. Die Bewegungen des Wassers bremsen
die Rotation der Erde. Dabei wird Rotationsenergie der Erde zum Teil in Wärme umgewandelt
(durch Reibung), zum Teil aber auch als Rotationsenergie auf den Mond übertragen. Dadurch
nimmt der Bahndrehimpuls des Mondes zu und die Entfernung zwischen Erde und Mond wird
größer. Dieser schon lange vermutete Effekt ist seit 1995 durch die Laser-Distanzmessungen
abgesichert. Er bewirkt sowohl eine kontinuierliche Verlängerung der irdischen Tageslänge (um
etwa eine Sekunde in 100.000 Jahren) als auch der Mondumlaufdauer. Dieser Prozess dauert so
lange an, bis Rotationsdauer des Mondes um die Erde gleich einer Tageslänge auf der Erde ist. Ab
diesem Zeitpunkt ist der Mond immer über der selben Stelle auf der Erde und das Phänomen der
Gezeiten tritt nicht mehr auf.
per. ROSAT bewegt sich im erdnahen Raum, verliert also durch Reibung
mit Restatmosphäre zunehmend Energie und sinkt auf einer Spiralbahn
in immer dichtere Bereiche. Der Mond hat dieses Problem nicht. Er ist
immerhin im Mittel 364.000 Kilometer entfernt. Dort kann er keine Energie durch Reibung mit Gasmolekülen verlieren. Aber er hängt dennoch an der
Erde und Mond nimmt zu. Das Geheimnis liegt in der Energie der Himmelskör-
Viele Satelliten, die die Erde in nicht allzu großer Entfernung umrunden, sind ein Problem. Sie
werden irgendwann abstürzen. So geschah es im Herbst 2011 mit dem deutschen Forschungssatelliten „ROSAT“(Röntgensatellit). Nach 21 Jahren im Orbit näherte sich das tonnenschwere
Röntgenteleskop der Erde immer mehr – und seine Reste stürzten schließlich am 23. Oktober
über dem Golf von Bengalen ab. Wie alle Gegenstände folgte ROSAT dem Gesetz der Schwerkraft. Die Erde mit ihrer großen Masse zieht alles an, was ebenfalls eine Masse besitzt. Das hatte
der englische Physiker Isaac Newton schon 1666 erkannt. Doch wieso stürzen Fußbälle, Kanonenkugeln und manche alten Satelliten unweigerlich auf die Erde zurück, der Mond aber nicht?
Auch auf ihn wirkt schließlich die Schwerkraft der Erde. Im Gegenteil - der Abstand zwischen
Warum stürzt der Mond
nicht auf die Erde?
denn dazu müssten mehrere kleinere beiseite rutschen. Bei ihrem Überholvorgang werden sie stets
von allen umliegenden kleineren Teilchen behindert. Und so kommt es, dass am Ende eines Schüttelzyklus etliche große Eindringlinge eine leicht höhere Endlage eingenommen haben.
Diese Endlage ist jeweils der neue Anfangszustand für den nächsten Durchgang. Das Schütteln
bewirkt also nichts weiter, als dass die „verfestigten“ und „verhakten“ Mitglieder des Gemischs die
Gelegenheit bekommen, sich (in Abhängigkeit von Lage und Bewegung der nächsten Nachbarn)
gegeneinander zu verschieben und zu bewegen. Dabei geraten die kleinen Teilchen immer etwas
weiter nach unten, so dass es so aussieht, als würden sich die großen Bestandteile „hocharbeiten“ und
sich dann, fast wie von selbst, in den oberen Schichten befinden. Dieser Vorgang ist immer wieder –
eigentlich sehr treffend – als ein „Durchsieben der kleinen Bestandteile“ beschrieben worden. Befüllt
man den Behälter allerdings mit gleichgroßen, verschieden farbigen Kugeln, separiert oder in
gemischter Form, so erzeugt das Rütteln nur ein Vermischen der beiden Komponenten.
ander zu verschieben und in eine neue Lage zueinander zu bringen. Während des Bewegungsvorgangs bilden sich momentane Lücken in der Mischung, wobei kleinere Lücken naturgemäß häufiger auftreten als große. Jedes Mal, wenn sich
eine große Kugel oder Nuss etwas zur Seite bewegt, gelingt es den kleinen
Bestandteilen, bei der Abwärtsbewegung wie eine Mikrolawine in diese
Lücke zu rutschen. Die kleinen ziehen gewissermaßen an den großen Eindringlingen vorbei und die größeren Teile der Mischung kommen auf ihnen
zu liegen. Großen Körpern gelingt dies kaum. Sie werden kaum ausreichende Lücken vorfinden,
kann man laufen. Auch ein Sandhaufen ähnelt einem Festkörper, denn er zerfließt nicht wie eine
Flüssigkeit, sondern bildet einen Kegel aus. Andererseits nimmt Sand die Form eines jeden Behälters
an und rieselt durch Trichter und kleine Öffnungen wie zum Beispiel bei Sanduhren. Und in vielen
Fällen hat das granulare Kollektiv ganz andere, sehr merkwürdige Eigenschaften.
Beim Paranuss-Effekt nimmt das Granulat nach dem Abfüllen eine Anfangsverteilung ein, die sich
durch Schwerkraft und Reibung (einigermaßen) stabilisiert hat. Bei sehr unregelmäßigen Körpern
treten auch Verhakungen zwischen den einzelnen Bestandteilen auf. Bewegt man nun das Glas beim
Schütteln, so wird die Schwerkraft herabgesetzt, die granulare Mischung befindet sich kurzzeitig in
gelockerter, fast schwereloser Form. Jetzt reichen schon kleine Störungen aus, die Teilchen gegenein-
ren Materialien zu tun. Das sind körnige Substanzen mit unregelmäßiger
Oberfläche und unterschiedlicher Größe: Kies, Sand, Getreide, Kugeln,
Waschpulver, Kaffeebohnen … viele alltägliche Waren gehören dazu. Solche
Granulate verhalten sich manchmal wie ein Festkörper, manchmal wie eine
Flüssigkeit. Nehmen wir als Beispiel Sand: Jedes einzelne Sandteilchen ist ein Festkörper, auf Sand
heute nur in Ansätzen gelöst. Bei dem Effekt hat man es mit so genannten granula-
Öffnet man eine Packung Müsli, eine Dose Nussmix oder ein Päckchen mit Studentenfutter, die dicksten Brocken liegen immer obenauf, obwohl sie doch viel schwerer sind als die leichten Flocken. Man
könnte das zunächst für einen den Verkauf fördernden Trick halten, aber unterstellt man da nicht
vielleicht etwas Falsches?
Das Phänomen ist in der Wissenschaft seit den 1930er Jahren als Paranuss-Effekt bekannt, jedoch bis
Warum sammeln sich im Müsli
die großen Nüsse immer oben?
Warum ist es nachts dunkel?
Bereich des Kosmos, der um das Zehnbillionenfache zu klein ist, um für einen hellen Nachthimmel
zu sorgen. Wird also in ferner Zukunft irgendwann der Nachthimmel taghell sein, weil wir dann
einen ausreichend großen Teil des Universums überblicken? Nein, denn schon viel früher wird
sämtlicher nuklearer Brennstoff im Kosmos verbraucht sein. Die Sterne leuchten insgesamt nicht
lange genug. Zusammengefasst: Es ist nachts dunkel, weil Licht sich mit endlicher Geschwindigkeit,
der Lichtgeschwindigkeit, ausbreitet, unser Kosmos ein endliches Alter besitzt und auch langfristig
insgesamt nicht genug Materie enthält, um das ganze Weltall zu erhellen.
großen Abstände zwischen den Galaxien ziemlich lang: etwaa
LichtjahL
re (hunderttausend Milliarden Milliarden Lichtjahre). Das bedeutet nun
auch, dass das Licht eines solchen Sternss
Jahre
zu uns benötigen
J
würde. Das Universum ist aber nach heutigen Erkenntnissen erst 14 Milliarden Jahre alt - wir können also auch maximal Strahlung aus einer Entfernung von 14 Milliarden Lichtjahren empfangen. Wir überblicken also erst einen
der korrekten Antwort, ist der mittlere Weg von uns zu einem Stern durch die
unser Kosmos endlich sein müsse. Heute wird dieses Problem zumeist als „Olbers-Paradoxon“
bezeichnet, nach dem Bremer Astronomen Heinrich Olbers, der es 1823 erneut in die Debatte warf.
Olbers vermutete, dass Gas zwischen den Sternen das Licht absorbierte und so die Dunkelheit auch
in einem unendlichen Kosmos erklärbar mache. Doch er irrte: Das Sternenlicht würde das Gas
aufheizen, bis es ebenso hell strahlen würde wie die Sterne selbst. So überzeugend war Keplers
Argument gegen ein unendliches, gleichmäßig mit Sternen angefülltes Universum, dass die Astronomen bis Anfang des 20. Jahrhunderts glaubten, unsere Milchstraße sei ein „Insel-Universum“,
umgeben von unendlicher Leere. Erst in den 1920er Jahren zeigte sich, dass die unscheinbaren
„Nebelflecken“ keine Gaswolken in der Milchstraße, sondern ferne Galaxien aus Milliarden von
Sternen ganz ähnlich der Milchstraße sind. Der Kosmos ist also jenseits der Milchstraße alles andere
als leer – und auf die Frage, warum es nachts dunkel ist, muss es folglich eine andere Antwort
geben. Zwar ist das Universum nicht - wie im ursprünglichen Argument von Kepler – gleichmäßig
mit Sternen angefüllt. Vielmehr sammeln sich die Sterne in Galaxien und diese wiederum in Galaxienhaufen. Doch da, über große Entfernungen gemittelt, die Verteilung der Materie im Kosmos
gleichmäßig ist, bleibt das grundlegende Prinzip erhalten: Unser Blick trifft in einem unendlichen
Universum stets irgendwann auf die Oberfläche eines Sterns. Allerdings, und damit nähern wir uns
Unsere Sonne beleuchtet nur die ihr zugewandte Seite der Erde. Die Erde dreht sich in 24 Stunden
einmal um sich selbst, dadurch scheint die Sonne im Tageslauf über den Himmel zu ziehen. Und
steht die Sonne unter dem Horizont, so ist es dunkle Nacht. Doch damit ist die Frage, warum es
nachts dunkel ist, keineswegs beantwortet. Denn nachts stehen die Sterne am Himmel – und diese
Sterne sind glühende Gasbälle wie unsere Sonne, nur viel weiter entfernt. Deshalb erscheinen sie
im Vergleich zur Sonne so klein und unscheinbar. Wenn nun aber das ganze unendliche Universum
gleichmäßig mit Sternen angefüllt wäre und Sterne unendlich lange leben, sollte dann nicht unser
Blick, egal in welche Richtung wir schauen, irgendwo stets auf einen Stern treffen? Es war Johannes
Kepler, der 1610 auf dieses Problem hinwies: als Argument gegen die damals heiß diskutierte
Möglichkeit eines unendlichen Universums. Denn wenn unser Blick überall auf Sterne träfe, so
Kepler, dann müsste der gesamte Himmel an jeder Stelle so hell leuchten wie ein Stern oder wie
unsere Sonne. Es wäre also auch nachts taghell. Für Kepler war dies ein klarer Beweis dafür, dass
lauten Knall hören. Schüttelt man die Flasche vorab, wird es beim Öffnen besonders dramatisch.
Das Auf- und Abbewegen verteilt das gasförmige Kohlendioxid aus dem Freiraum in Gestalt winziger Bläschen in der Flüssigkeit. Entfernt man nun den Verschluss, schwellen diese Blasen auf ein
Vielfaches ihres Anfangsvolumens. Dabei verdrängen sie die Flüssigkeit um sie herum mit solcher
Macht, dass die wie ein Geysir hervorsprudelt. Der Druck in einer Flasche kann bis zu sechs Bar
betragen: Entfernt man den Korken nicht kontrolliert, schnellt er mit 50 km/h empor.
So viele Gasbläschen wie möglich steigen deshalb bereits in der Flasche in
den kleinen, flüssigkeitsfreien Raum direkt unter dem Korken auf. Sie
drängeln sich dort viel dichter, als sie das gewöhnlich tun würden. Darum
gibt es eine kleine Explosion, wenn wir die Flasche öffnen. Sobald der
Korken gelöst ist, dehnt sich das darunter zusammengepresste, gasförmige Kohlendioxid abrupt aus. Dabei entsteht eine Schockwelle in der Luft, die wir als
natürlicher, wieder die Flüssigkeit zu verlassen und in einen gasförmigen Zustand überzugehen.
Schaumwein rund zwölf Gramm Kohlendioxid. Normalerweise nähme
derart viel Kohlendioxid ein Volumen von ca. sechs Litern ein. Doch weil
den versiegelten Flaschen dafür der Platz fehlt, ist das Gas gezwungen,
eine raumsparende Alternative einzunehmen: Es löst sich in der Flüssigkeit, ähnlich wie der Zucker. Zum Teil geht es dabei eine Verbindung mit
den Wassermolekülen ein, es wird zur Kohlensäure. Eine solche hochdosierte Lösung ist nur unter starkem Druck stabil. Für das Kohlendioxid wäre es
gezielt Zucker und Hefe zuzusetzen, ehe sie ihn abfüllten. Heute enthält ein Liter
Im späten 15. Jahrhundert erlebten französische Winzer eine unangenehme Überraschung: Bei
ihnen flogen plötzlich Sektkorken durch die Luft, und es explodierten Dutzende Weinflaschen.
Blieben die Glasbehälter unversehrt, schmeckte ihr Inhalt ungewohnt: Er prickelte. Der Vorgang
ließ sich durch den damals sehr früh einsetzenden Winter erklären. Wenn die Winzer im Herbst die
Trauben pressten und den Saft in Fässer füllten, begannen Hefeorganismen, den Zucker der Früchte zu Alkohol zu vergären. Bei diesem Prozess entsteht Kohlendioxid, das gewöhnlich aus winzigen
Öffnungen in den Holzbottichen entweicht. In jenen Jahren jedoch wurde es oft so zeitig kalt, dass
die Hefe ihre Arbeit einstellte, bevor aller Zucker verbraucht war. Erst wenn die Temperaturen im
Frühjahr erneut stiegen, startete auch die Gärung wieder. Bis dahin aber hatten die Winzer den
Wein in Flaschen gefüllt. Das nun noch entstehende Kohlendioxid saß gefangen, baute Druck im
Glas auf ( bis der Korken herausflog, die Flasche sogar platzte)oder bildete Bläschen im Wein. Zwar
kannten die Weinbauern jener Zeit die genauen biochemischen Vorgänge noch nicht, doch sie
erfassten die Zusammenhänge gut genug, um sie zu nutzen. Und den Konsumenten gefiel das
ungewohnte Prickeln. So sehr, dass die Winzer der Region – der Champagne – begannen, Wein
Warum knallt ein Sektkorken
– und spritzt der Schaumwein
manchmal aus der Flasche?
In diesem Versuch werden je zwei Farben gemischt: Rot mit Cyan/ Grün mit Magenta/ Blau mit Gelb
Unter dem jeweils farbigen Licht erscheinen graue Flächen. Welche Ursache hat das nun? Eine Erdbeere nimmt Licht fast jeder Farbe in sich auf und strahlt nur leuchtendes Rot zurück. Beleuchten wir sie
mit Cyan, erscheint sie uns grau bis schwarz. Bei der subtraktiven Farbmischung bewirkt jede dazukommende Farbe die Absorption weiterer Wellenlängen. Daraus folgt, dass das Objekt dunkler
erscheint. Werden alle Farben (Wellenlängen) absorbiert, ist der Körper schwarz. Cyan ist die sogenannte Komplementärfarbe zu Rot. Somit werden alle Wellenlängen absorbiert und die Erdbeere
erscheint grau bis schwarz.
Wird ein Objekt mit Licht der Farbe beleuchtet, die es absorbiert, wird kein
Licht reflektiert und das Objekt erscheint uns farblos/grau und dunkel. Es
handelt sich um subtraktive Farbmischung.
In diesem Fall empfangen wir mit dem Auge das Licht mit der Farbe, deren Wellenlängen vom
beleuchteten Objekt nicht absorbiert sondern reflektiert werden – das ist subtraktive Farbmischung.
Beispiel: Grüne Blätter reflektieren grünes Licht gut und absorbieren rot und blau gut. Objekte, die
türkis aussehen, absorbieren rot. Ein roter Gegenstand "schluckt" die Farben Grün und Blau und reflektiert das Rot, woraufhin wir den Gegenstand dann auch als rot wahrnehmen. Objekte absorbieren die
Komplementärfarbe ihrer Farbe. Das heißt, malt man ein farbiges Objekt mit seiner Komplementärfarbe an, wird es schwarz. Die Summe aller Körperfarben ist schwarz. Die Summe zweier Komplementärfarben ist ebenfalls schwarz.
Warum sehen manche Objekte wie die Farbpigmente in unserem Versuch unter
farbigem Licht grau aus?
Die Farben von nicht selbst leuchtenden Objekten heißen Körperfarben.
verschiedenen Lichtfarben (Wellenlängen) erzeugt die Farbe des Objektes – das ist additive Farbmischung. Beispiel: rot, grün und blau ergibt weiß, rot und grün ergibt gelb (wie oben), doppelt so viel
rot wie grün ergibt orange. Die Summe aller Lichtfarben (Wellenlängen) ist weiß. Komplementärfarben
ergänzen sich ebenfalls zu Weiß. Beispiel: Magenta enthält kein Grün, aber Grün und Magenta zusammen ergeben Weiß.
weil Licht entsprechender Wellenlänge von diesen Gegenständen
in unser Auge fällt.
Die Farben selbst leuchtender Objekte heißen Lichtfarben. Die Summe der
Das Auge kann Licht verschiedener Wellenlängen wahrnehmen. Das menschliche Auge hat drei unterschiedliche Sorten von Zapfen. Dies sind die Sinneszellen, die für die Wellenlängen der Farben Rot,
Grün und Blau besonders empfindlich sind. Deshalb sind diese drei Farben die sogenannten Primärfarben. Jede Wellenlänge wird als eine bestimmte Farbe „gesehen“. Jede von uns wahrgenommene Farbe
kann aber auch aus verschiedenen Wellenlängen bestehen. Beispiel: Gelbes Licht kann Licht der
Wellenlänge 570 nm sein, das die roten und grünen Zapfen ähnlich stark anregt. Besteht das Licht aus
zwei Wellenlängen, den Farben Rot (680 nm) und Grün (530 nm), „sieht“ das Auge ebenfalls die Farbe
Gelb. Andererseits sehen wir auch Farbtöne aus verschiedenen Wellenlängen, die man nicht mit einer
einzigen Wellenlänge erzeugen kann. Wir sehen Gegenstände mit bestimmten Farben,
Warum sehen manche Objekte
unter farbigem Licht grau aus?
Wie entsteht ein Tornado?
Bläschen in der Flüssigkeit machen den Unterschied.
Je dichter die Flüssigkeit, desto höher die Frequenz.
in Rotation versetzt. Die starken, nach oben gerichteten Winde innerhalb der inzwischen
entstandenen Superzelle strecken die rotierende Aufwindsäule nach und nach immer mehr. Entsprechend des „Pirouetten-Effektes“ erhöht sich damit die Drehgeschwindigkeit des entstehenden Wind-
Tornados sind nicht nur ein auf den mittleren Westen der USA beschränktes Wetterphänomen. Doch
werden sie dort durch die Topographie deutlich begünstigt, da dort sehr feuchte und warme Luft aus
dem Golf von Mexiko auf deutlich kältere Luft aus dem hohen Norden nahezu ungehindert (keine
Gebirge und kein Wasser dazwischen) aufeinandertreffen können. In Deutschland werden relativ
regelmäßig Tornados der Stufen F0 bis F2 gemeldet, etwas seltener werden F3-Tornados registriert. Ein
Bespiel hierfür wäre die Großtrombe, welche im hessischen Lumda (Hessen) am 23. August 2010
auftrat. Geht man noch deutlich weiter in der Zeit zurück, so findet man 2 Hinweise auf F5-Tornados.
Viele Hinweise sprechen dafür, dass sich am 23. April 1800 in Hainichen im Raum Dittersdorf in Sachsen ein F5-Tornado ereignet hat. Richtig verheerende Tornados in Deutschland sind zwar selten,
jedoch nicht ausgeschlossen.
von einem Tornado.
schlauches. Erreicht der entstandene Aufwindschlauch den Boden, spricht man
und die Windrichtung mit der Höhe, so wird der bis jetzt entstandene Aufwindbereich
Frequenz der Schallwelle, also die Tonhöhe.
hohen Temperaturunterschied zwischen Boden und oberer Troposphäre ein kräftiges Gewitter entstehen. Ist nun aber zusätzlich Windscherung vorhanden, das heißt, ändern sich die Windgeschwindigkeit
während der Wolkenentstehung frei werdende Wärme führt zu einem weiteren, verstärkten Aufsteigen in der Luft. Mit Hilfe dieser Bedingungen könnte bei einem
ein Teil des in ihnen gespeicherten Wasserdampfs in kleine Wassertröpfchen umgewandelt. Die
veau erreicht (die Höhe, ab der Wasserdampf kondensiert, und gleichzeitig die untere Wolkengrenze),
setzen die aufgestiegenen Luftpakete die in ihnen gespeicherte latente Wärme frei. Gleichzeitig wird
ihrem Zusammenspiel zu diesem zu Recht sehr gefürchteten Wetterphänomen führen. Der eigentliche Energielieferant der Tornados ist die in feuchter Luft reichlich vorhandene latente Wärme. Deswegen ist für seine Entstehung eine ausreichend feuchte Luftmasse
notwendig. Zum anderen muss die Luft hochreichend labil geschichtet sein (das
heißt, die Lufttemperatur muss mit der Höhe stark abnehmen). Sind diese
beiden Bedingungen gegeben, so kann energiereiche Luft in Bodennähe mit
Leichtigkeit schnell und weit nach oben aufsteigen. Wird dabei das Kondensationsni-
Bei Tornados, welche bei uns umgangssprachlich je nach Erscheinungsort auch gerne als "Windhose"
oder "Wasserhose" bezeichnet werden, handelt es sich um - für meteorologische Verhältnisse - relativ
begrenzte und kurzfristige Erscheinungen. Je nach ihrem Schadensmuster, aus welchem man die mit
normalen Messverfahren kaum feststellbaren Windgeschwindigkeiten ableitet, unterteilt man sie in 13
verschiedene Stufen (F0 bis F12), der sogenannten Fujita-Skala. Während F0-Tornados mit Windgeschwindigkeiten von 64 bis 116 km/h noch relativ harmlos sind, richten Tornados der Klasse F5 extreme Schäden an. Damit Tornados entstehen können, müssen einige Bedingungen erfüllt sein, welche in
Fazit 1: Der Grundton aus der leeren Tasse ist tiefer als der aus der vollen.
Jetzt kommt endlich der Cappuccino zum Tragen. Steht die Tasse schon eine Weile unbewegt auf
dem Tisch, so schwimmen die Milchschaumbläschen vor allem oben, es handelt sich in punkto
Schallgeschwindigkeit – und Tonhöhe – in etwa um die volle Tasse von eben. Das Umrühren allerdings verändert die Situation: Die Luftbläschen des Milchschaums werden ins gesamte Volumen
der Flüssigkeit verteilt. Plötzlich sind die Moleküle weniger dicht gepackt, die Schallwellen stoßen
beim Durchlaufen der Flüssigkeit immer wieder auf bremsende Bläschen, die Ausbreitungsgeschwindkeit sinkt. Entsprechend geht auch die Tonhöhe in den Keller, sie nähert sich grob dem
Klang einer luftgefüllten Tasse. Der Ton klingt tiefer und dumpfer als vor dem Rühren. Doch im
Laufe kurzer Zeit steigen die Bläschen nach und nach an die Oberfläche und die Flüssigkeit klärt
sich wieder - der Luftgehalt sinkt, die Schallwellen wandern wieder schneller, die Tonhöhe steigt
kontinuierlich. Bis sie, meist nach wenigen Sekunden, jenen Ton erreicht, der vor dem Umrühren zu
hören war.
Fazit 2: Je mehr Bläschen in die Flüssigkeit gemischt sind, desto tiefer der Ton.
Dabei gilt: Je höher die Schallgeschwindigkeit im Medium, desto höher die
weniger wichtig. Ist die Tasse gefüllt, der Einfachheit halber bis zum Rand, so bildet sich die stehende Welle in der Flüssigkeitssäule über dem Boden aus. Diese hat zwar dieselbe Länge wie die
Luftsäule zuvor, doch laufen Schallwellen in Flüssigkeit rund viermal schneller aus als in Luft. Schall
breitet sich über die Moleküle des Mediums aus – jedes schwingende Molekül stößt seine Nachbarn an und gibt die Bewegung so weiter. Entsprechend ist die Schallgeschwindigkeit höher, je
dichter die Moleküle gepackt sind: in Festkörpern höher als in Flüssigkeiten höher als in Gasen.
des Bodens bildet sich in der schwingenden Luftsäule – vom Boden bis
zum Tassenrand – eine stehende Longitudinalwelle aus. Sie liefert den
tiefsten Ton aus der leeren Tasse, den Grundton, der dann weiter durch die
Luft bis zum Ohr übertragen wird. Obertöne überlagern den Grundton, sind hier aber
Ton erklingt, ist zunächst von der Höhe oder Füllhöhe der Tasse abhängig: Beim Anschlagen
Ein passendes Experiment für den Kaffeeklatsch: Der Klang, den ein Löffel an einer Cappuccinotasse erzeugt, verändert sich, wenn das schaumige Getränk gut umgerührt ist. Klopft man nach
dem Rühren mit dem Löffel immer wieder an die Tasse, am deutlichsten innen auf den Tassenboden, so wandelt sich das Geräusch über mehrere Sekunden hinweg von einem dumpfen „Klung“ zu
einem hellen „Kling“… Die Kaffeetassenklopferei kam vor knapp einem Vierteljahrhundert zu
wissenschaftlichen Ehren: Der Physiker Frank Crawford von der University of Berkeley publizierte
seine Erkenntnisse im „American Journal of Physics“ und legte damit die Grundlage, die andere
Forscher im Laufe der Zeit erweiterten und variierten.
Das Klopfen bringt die Tasse im unteren Bereich zum Schwingen, was sich auf das angrenzende
Medium überträgt. Das ist bei der leeren Tasse die Luft, bei der gefüllten die Flüssigkeit. Welcher
Warum ändert sich der
Klang des Löffels, während
man Kaffee umrührt?
die Ultraschalltechnik so weit entwickelt, sind die Aufnahmen derart hoch aufgelöst, dass
Mediziner feinste Strukturen im Inneren des Herzens betrachten können. Doch so modern das
Verfahren anmutet, mithilfe von Ultraschall Bilder zu erzeugen: In der Natur wird die Methode
seit Jahrmillionen angewendet. Fledermäuse, Delfine und Pottwale etwa stoßen Ultraschallschreie aus, die von Hindernissen in der Umgebung reflektiert werden und den Tieren höchst
präzise Orientierung und Ortung von Beutetieren ermöglichen. Selbst bei völliger Dunkelheit
können Sie damit „sehen“.
ander unterscheiden. Stark vereinfacht gilt: Besonders viel Schall wird zurückgeworfen, wenn die Wellen von einem Medium geringerer Dichte (etwa
Gewebsflüssigkeit) auf ein Medium hoher Dichte (etwa Knochen)
stoßen oder umgekehrt. Das Ultraschallgerät ist in der Lage, die reflektierten Wellen zu registrieren und das komplexe Ultraschallecho mittels aufwendiger Berechnungen in ein Bild umzuwandeln. Heutzutage ist
Schall jeweils reflektiert wird, hängt vor allem davon ab, wie stark sich die Substanzen vonein-
Millionen Mal in der Sekunde), dass sie unsere Ohren nicht mehr registrieren können. Ein
Ultraschallgerät macht sich eine bestimmte physikalische Eigenschaft
hochfrequenter Schallwellen zunutze: Sie durchdringen, im Gegensatz
zu Licht, undurchsichtige Gebilde wie etwa den menschlichen Körper.
Doch rauschen die Wellen nicht ungehindert durch unseren Leib:
Immer dann, wenn die Schwingungen den Übergang zwischen zwei
Geweben unterschiedlicher Beschaffenheit passieren, wenn sie etwa
von Muskeln in Knochen übergehen, von Fett in Sehnen oder von
Knorpel in Blutbahnen, werden die Ultraschallwellen nicht vollends
weitergeleitet. Ein Teil von ihnen prallt an der Grenze der beiden
Gewebe ab und wird zurückgeworfen – ähnlich wie ein Echo. Wie viel
nik“ fußt auf einer besonderen Form von Tönen, die derart hoch sind, dass kein menschliches
Ohr sie zu hören vermag. Zwar breitet sich Ultraschall ganz ähnlich wie hörbarer Schall aus: in
Form von Wellen, die sich in einem Medium – etwa Luft oder Wasser – fortpflanzen. Doch sind
die Vibrationen so rasant (die Luft- oder Wassermoleküle schwingen bei Ultraschall bis zu 20
geradezu absurd klingenden Idee beruhte: Man könne Schall nutzen, um in bestimmte Objekte hineinzublicken, man könne also mithilfe akustischer
Informationen Bilder verborgener Welten erschaffen. Dies „Ultraschalltech-
Im 20. Jahrhundert entdeckten Forscher ein medizinisches Diagnoseverfahren, das auf einer
Warum ermöglicht es
Ultraschall,
in den Körper zu schauen?
aufzuplatzen, liegt also an ihrer besonderen Geometrie. Wie der Riss im Detail entsteht, wir deutlich, wenn man sich vorstellt, die Hülle des Würstchens wäre von unsichtbaren Fäden durchwoben,
wie ein Stück Stoff. Manche Fäden würden in Längsrichtung des Würstchens verlaufen, also von
Ende zu Ende, andere genau senkrecht dazu und damit ringförmig um den Rumpf. Da diese Ringe
einer doppelt so großen Spannung ausgesetzt sind wie die Längsfäden, wird es einer von ihnen
sein, der als Erster reißt. Daraufhin geben auch die seitlich daneben liegenden Ringe nach, automatisch pflanzt sich der Riss fort – in Längsrichtung des Zylinders. So kommt es, dass sich in dem
Würstchen stets ein von einem Ende zum anderen Ende verlaufender Spalt bildet und praktisch nie
ein Furche in Querrichtung.
nung steht. Der Druck, den die heißen Dämpfe im Wurstinneren entfalten,
entspricht – auf Ebene der Moleküle – den Stößen der Gasteilchen, die mit
hoher Geschwindigkeit umherrasen und dabei immer wieder gegen das
Brät und die Hülle prallen. Durch diesen Druck wird die Wurstpelle sowohl
in Längs- als auch in Querrichtung auseinandergezerrt. Allerdings unterschiedlich stark. Denn steht ein Hohlkörper unter Druck, ist die in der
Hülle entstehende Zugspannung nur dann zu allen Seiten gleich groß,
wenn das betreffende Objekt die Form einer Kugel hat. Für zylindrische
Formen (also auch Würste) gilt, dass die Spannung in Querrichtung stets
doppelt so hoch ist wie in Längsrichtung. Dass Würste bevorzugen, in einer Richtung
Beim Würstchenkochen ist nur eine Regel zu beachten: Die Wassertemperatur sollte auf nicht viel
mehr als 70 Grad Celsius steigen. Wer das missachtet, riskiert eine herbe Enttäuschung; das Würstchen platzt, sieht danach wenig appetitlich aus und schmeckt fad. Merkwürdigerweise verläuft der
Vorgang – auch bei Grillwürstchen – stets gleich: Immer ziehen sich tiefe Furchen in Längsrichtung
durch das zarte Fleisch. Nie bildet sich ein Riss in Querrichtung, also rund um die Wurst. Wie lässt
sich das erklären? Wenn man ein Würstchen erhitzt, dehnen sich Luft- und Wasserbläschen in
seinem Inneren bei steigender Temperatur immer weiter aus. Vor allem durch dampfendes Wasser
bläht sich das Würstchen zunehmend auf – mit der Folge, dass die Pelle immer stärker unter Span-
Warum platzen
Würstchen beim Erhitzen
stets der Länge nach auf?