Nicht aufhören, sich zu wundern!

© Christoph Wehrer / Stiftung Haus der kleinen Forscher
Wer fragt, der findet auch irgendwann Antworten...!

Eine Frage beim Quiz auf der vergangenen Weihnachtsfeier der Stiftung lautete: Welche Farbe ist beim Regenbogen unten? Ich wusste es nicht und habe mir eigene Gedanken gemacht: Eine ganz kurze Reise durch etwas Physik.

Die Weihnachtsfeierfrage

Auf der Weihnachtsfeier 2018 der Stiftung. Der Bereich Administration und Infrastruktur organisiert die Weihnachtsfeier. Der Raum ist schön geschmückt, es gibt Getränke und Knabbereien. Die Moderation ist witzig, es wird gesungen, der Vorstand darf sich seine Redezeit erspielen. Es gibt einen prägnanten Rückblick mit Dank an unsere großartige Belegschaft. Vor der richtigen Party kommt noch ein Pubquiz. Ich bin in der Gruppe "Tannenbaum", einer hervorragend gemischten Gruppe von zehn Leuten aus allen Bereichen der Stiftung. Nach witzigen Fragen der Art "Wie viele Toilettenrollen verbrauchen wir im Jahr in der Stiftung?" (es sind wohl 2.880!), folgte diese Frage:

"Welche Farbe ist beim Regenbogen unten?"

Ich stutze kurz und sage dann "rot, ganz klar". Meine Gruppe ist nicht sicher, aber froh, dass jemand selbstbewusst eine Farbe sagt, die immerhin im Regenbogen vorkommt. Es dauert eine halbe Minute, bis meine Kollegin Mariel mich skeptisch mustert und wir zusammen ins Grübeln kommen. Rot — wirklich? Klar ist jedenfalls, dass es entweder rot oder violett sein muss, denn das sind die beiden Grenzen des sichtbaren Lichts. Aber was nun, rot oder violett?

Lichtwellen, Energie und Fequenzen: Ich weiß, dass UV-Strahlung sehr energiereich ist, also eine hohe Frequenz hat und damit sehr kurzwellig ist. Und rot hat entsprechend eine geringere Energie, eine niedrigere Frequenz und höhere Wellenlänge als violett. Zur Erinnerung, Licht ist elektromagnetische Strahlung und bewegt sich als Welle durch den Raum. Bei Welle kann man als Analogie an die Wasserwelle im Meer denken oder, wer es abstrakter mag, an die Sinuskurve aus der Schule. Die Wellenlänge ist der Abstand von Wellental zu Wellental oder auch Wellenberg zu Wellenberg. Sie heißt lambda.

eine rote Sinuskurve
© Maria Ploog
Meereswellen: eine Sinuskurve

Frequenz ist der Kehrwert davon, sie wird in Hertz (Hz) angegeben, nach dem Physiker Heinrich Hertz. Ein Hertz heißt 1 pro Sekunde. So kann man alle periodischen, also wiederkehrenden Dinge abbilden. Zum Beispiel denke ich alle vier Stunden an Essen: 8 Uhr (Frühstück), 12 Uhr (Mittag), 16 Uhr (Kaffeepause), 20 Uhr (Abendbrot), 0 Uhr (Mitternachtssnack) und 4 Uhr (ich träume bestimmt vom Essen). Meine Essensdenkfrequenz ist also 1/(4 h) = 1/(4 * 60 * 60 s)= 1/(1440 s) = 6,9.10-5 Hz.

Wellenlängen und schnelle Internetsuche

Was ist nun mit dem Regenbogen? Licht gibt man statt in Frequenz eher in seiner Wellenlänge an. Der Mensch kann Licht im Wellenlängenbereich von etwa 350 nm (lila) bis 750 nm (rot) mit gesunden Augen wahrnehmen. Es gibt natürlich auch elektromagnetische Strahlung mit größeren und kleineren Wellenlängen, aber die können wir mit unseren Augen nicht sehen und wir nennen es dann auch nicht mehr Licht, sondern nur noch elektromagnetische Strahlung.

Jedenfalls ist immer noch nicht klar, welche Farbe unten am Regenbogen ist. Es ist mir peinlich, als ich noch während des Pubquiz die Antwort im Internet suche. Das Spiel läuft schon drei Fragen weiter und meine Gruppe grübelt tapfer mit, aber mich lässt diese Regenbogenfrage nicht mehr los. Aus zwei Gründen: Müsste ich das als Naturwissenschaftlerin nicht aus dem Stand wissen? Und wieso wird eine Wellenlänge stärker am Wasser (dem Regentropfen) gebrochen als eine andere. Eine schnelle Internetsuche zeigt, dass violett unten am Regenbogen ist. Mist! Bei einer Chance von 50% (rot oder violett) hatte ich falsch geraten. Leute, die viele Emoji in ihren Nachrichten nutzen, hätten es wahrscheinlich gewusst:

© Twitter/CC BY 4.0
Ein Regenbogen, hier in Emoji-Form (Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Lichtbrechung und Prismen

Ich stelle mir vor, wie Sonnenstrahlen (also sogenanntes weißes Licht) auf ein Prisma fallen: beim Übergang von Luft zu Glas (Prisma) wird dieses Sonnenlicht das erste Mal gebrochen und beim Übergang vom Prisma zu Luft, also auf der anderen Seite, wird es dieses jetzt schon in alle Farben aufgefächerte Licht erneut gebrochen. Violett ist jeweils unten und hat den stärksten Knick. Derselbe Effekt wie beim Regenbogen!

An einem Prisma bricht sich das Licht
© Spigget, Wikimedia Commons/CC BA-SA 3.0
Brechung von Licht an einem Prisma (Lizenz: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en).

Bloß warum? Ich unterhalte mich mit Kollegen und in der Familie darüber und recherchiere während der Feiertage. Wer glaubt, ich hätte in der Urlaubszeit nicht Besseres zu tun, hat nur teilweise Recht. Ich finde es toll, mal in Ruhe einer Frage nachgehen zu können. Vergleichbar ist der Zustand vielleicht damit, wenn einem der Titel des letzten Kino-Filmes einfach nicht einfallen will. Und wie erleichtert man ist, wenn man es wieder weiß. Egal ob Suchmaschine oder durch Denken. Die Erleichterung fühlt sich allerdings besser an, wenn man alleine drauf kommt (Selbstwirksamkeit!).

Dispersion - die Lösung des Rätsels?

Bei der Recherche stelle ich fest, dass alle Quellen immer nur davon sprechen, dass „blaues Licht stärker gebrochen wird als rotes“. Das wissen wir ja jetzt schon, aber warum denn? Wenn die Erklärungen nicht weitergehen, sieht es nach etwas Trivialem aus. Es ist aber nicht ganz einfach! Wir sagen’s nur keinem. Kurzwelliges Licht wird eben stärker gebrochen. Fertig. 

Ok, eine wichtige Zutat ist: „Lichtgeschwindigkeit in einem Medium hängt von der Wellenlänge ab“. Das bedeutet: im Vakuum, etwa im Weltall, flitzen alle Lichtwellen gleich schnell, unabhängig von der Wellenlänge, nämlich mit Lichtgeschwindigkeit (c = 300.000 km/s).  Wenn sich das Licht in einem „Medium“ befindet, also nicht im Vakuum, dann bremsen die Teilchen (in Luft sind das dann im Wesentlichen Stickstoff- und Sauerstoffteilchen und im Wasser sind es Sauerstoff- und Wasserstoffteilchen) das Licht ab. Und  dabei spielt die Wellenlänge eine Rolle: blaues Licht wird stärker gebremst als rotes.

Der Effekt, dass Welleneigenschaften von der Frequenz abhängen, kommt oft vor (nicht nur bei der Brechung an einem Prisma) und hat einen Namen: Dispersion.

Ein Beispiel für einen nicht-dispersiven Effekt ist die Spiegelung: das Reflektionsgesetz (Einfallswinkel = Ausfallswinkel) hängt nicht von der Wellenlänge ab. Das Brechungsgesetz aber schon, und hier kommt das Material ins Spiel: verschiedene Stoffe haben verschiedene Brechungszahlen. Wir zeigen einige dieser Zahlen für zwei Glassorten (Prismen) und für Wasser (Regenbogen):

Diese Zahlen sind der Hintergrund für den beobachteten Fakt: bei Brechung an Glas oder Wasser nimmt die Brechungszahl zu, wenn die Wellenlänge kleiner wird. Ich lerne also, dass die Brechung von der Wellenlänge und dem Material abhängt. Und zumindest in gebräuchlichen Medien wird Licht kürzerer Wellenlänge stärker gebrochen.

Lesson learned?

Hätte ich darauf alleine kommen können? Vielleicht nur mit einfachen optischen Fakten, wie dem Huygensschen Prinzip? Ich denke nicht, denn es gibt auch Stoffe, in denen das Brechungsverhalten genau umgekehrt ist, also der Brechungsindex mit der Wellenlänge ansteigt. Dieser Effekt heißt dann "anomale Dispersion" und wurde laut Wikipedia: Dispersion (Physik) schon 1870 entdeckt.

Am Ende bin ich erleichtert, dass ich der Frage nachgegangen bin, auch wenn sich keine einfache Antwort ergab. Die einzige Hürde war, mir selbst einzugestehen, nicht alles sofort wissen zu müssen. Das ist der eigentliche Grund, warum ich überhaupt bei der Stiftung arbeite. Sich trauen, immer Fragen zu stellen und sich trauen, diesen Fragen nachzugehen. Die Welt ist wirklich spannend und es ist unglaublich, dass sie so funktioniert wie sie funktioniert (also rein naturwissenschaftlich betrachtet). Das unsere Augen ausgerechnet diesen Ausschnitt elektromagnetischer Strahlung sehen können, ist doch allerhand, oder?

TL;DR: Es ist wirklich schwer, auf theoretischem Wege zur richtigen Antwort zu kommen! Einfacher, das Regenbogen-Emoji anzusehen :)

Portrait von Maria Ploog
Autor/in: Maria Ploog

Ich bin seit 2011 in der Stiftung. Mein Arbeitsschwerpunkt ist die Inhaltliche Entwicklung. Seit meinem Uni-Abschluss beschäftigt mich, wie die faszinierende Welt der MINT-Themen für jede und jeden zugänglich werden kann, unabhängig vom Vorwissen. Ich interessiere mich dafür, wie es gelingen kann, eine forschende Haltung zu behalten oder eben wieder zu entwickeln.

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1 Kommentar
Claudia schrieb am 21.03.2019:

Wow - Respekt! Forscherinnengeist in seiner Reinform.

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