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Physik » Elektrodynamik » Kann ein Objekt Licht verschiedener Wellenlängen zur selben Zeit reflektieren?
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Kein bestimmter Bereich Kann ein Objekt Licht verschiedener Wellenlängen zur selben Zeit reflektieren?
Ruffy
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Themenstart: 2017-01-12 11:53


Hallo alle zusammen,
 
ich habe folgende grundsätzliche Frage:

(1) Kann ein und dasselbe Objekt zur selben Zeit Licht verschiedener Wellenlänge reflektieren (z. B. 570nm und 680nm)?

Ich interessiere mich für diese Frage aufgrund meiner Lektüre zur Philosophie der Farben. So etwa schreiben die Autoren Byrne und Hilbert an einer Stelle ihres Aufsatzes "Color Primitivism" (von 2007) Folgendes:

"Consider two objects that have identical reflectances at those wavelengths to which human color vision is sensitive but which differ in their reflectance in the near ultraviolet. A goldfish will be able to discriminate between these two objects by sight, but to a human  being they will be indiscriminable."

(Anmerkung: Mit "reflectances" sind Reflektanzeigenschaften gemeint, also Eigenschaften von Objekten, Licht bestimmter Wellenlängen zu reflektieren.)

Frage (2): Ist das, was Byrne und Hilbert schreiben, empirisch möglich?

Frage (3) (nahezu identisch mit Frage (1)): Wenn die Antwort auf Frage (2) positiv ist, kann dann im Prinzip ein und dasselbe Objekt eine unendliche (oder zumindest große) Anzahl von Wellen verschiedener Wellenlängen zur selben Zeit reflektieren?

Grüße
Ruffy



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didubadap
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.1, eingetragen 2017-01-12 12:13


Hallo Ruffy,

(mein Beitrag betrifft die klassische Maxwelltheorie; ich behaupte, jegliche Anmerkungen zu weiterführenden Theorien sind für die Fragestellung irrelevant.)
ein Körper reflektiert zunächst Licht. Licht hat allgemein keine feste Wellenlänge, sondern ist ein propagierendes, vielleicht komplett chaotisches elektromagnetisches Feld. Die Idee, dass "Licht sich aus verschiedenen Wellenlängen zusammensetzt" ergibt sich aus der Fouriertransformation des Signals. Die klassische Elektrodynamik ist eine lineare Theorie. Das heißt, um herauszufinden, was passiert ist es egal, ob man das Feld so wie es ist in die Gleichungen einsetzt, oder aber erst Fouriertransformiert und zunächst jede einzelne Wellenlänge einsetzt und anschließend die Lösungen überlagert.

Somit ist es zulässig jedes Elektromagnetische Feld als Überlagerung von Komponenten mit bestimmten Wellenlängen zu betrachten. Die Information wie viel von jeder Wellenlänge im Licht enthalten ist, heißt Spektrum. Diese Konzepte führen aber leicht zu Missverständnissen. Zum Beispiel kann es kein Lichtsignal geben, das eine endliche Länge hat und nur eine feste Frequenz. (sagen wir, es wird ausgesendet von einem Sender, der irgendwann anfängt zu senden und dann wieder aufhört, alles endliche Zeitintervalle)Solche Signale haben ein ganzes kontinuierliches Intervall von Frequenzen. Als seine Farbe bezeichnen wir die Frequenz, von der "am meisten da ist", das Maximum im Spektrum. Es ist auch zunächst nicht klar, was es heißen würde zu sagen "ein Lichtsignal verändert seine Farbe mit der Zeit", man müsste wohl den Messprozess mit einbeziehen, welcher das Spektrum von willkürlich ausgewählten Teilen des Signals bestimmt.

Nach diesen Vorbemerkungen widmen wir uns den Fragen:
Ja, ein Körper kann beliebig viele Frequenzen zur selben Zeit reflektieren und absorbieren. Genauer: Er verarbeitet beliebiges Licht sobald es ankommt. Verschiedene Frequenzkomponenten des Lichts werden vom Körper verschieden behandelt, aber alles zur selben Zeit.

Das Szenario, wie von Byrne und Hilbert beschrieben, ist absolut realistisch. Ich bin sicher, es gibt solche Materialien. Es sollte mit relativ geringem Aufwand möglich sein konkrete Beispiele zu finden.



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Ruffy
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-12 15:50


Hallo didubadap,

vielen Dank! Das hilft mir sehr. Ich habe noch kurze Nachfragen:

Du schreibst: "Als seine Farbe bezeichnen wir die Frequenz, von der "am meisten da ist", das Maximum im Spektrum."

Das gilt, wenn ich das richtig verstehe, unabhängig von einer spezifischen Art Beobachter (z. B. Goldfisch oder Mensch). Das heißt, der Ausdruck "Farbe", wie du ihn in dem zitierten Satz verwendest, ist in diesem Sinne beobachterunabhängig.

Wie ist es aber, wenn wir einen Beobachter hinzutun? Entscheidet die Frequenz, von der "am meisten da ist", in welcher Farbe der Beobachter ein Objekt sieht? (Ich verwende den Ausdruck "Farbe" nun im alltäglichen Sinn.) Vermutlich ist das zu grob. Man müsste wohl sagen: Die Frequenz, von der "am meisten da ist" + der visuelle Apparat des Beobachters entscheiden, welche Farbe der Beobachter einem Objekt zuspricht. (Wenn z. B. von einer Frequenz "am meisten da ist", der Beobachter aber nicht in der Lage ist, diese Frequenz zu verarbeiten, dann sieht er auch nicht das Objekt in dieser "Farbe".)

Ich hoffe, das ist jetzt alles nicht durcheinander. (Ich bin kein Physiker ...)

Nun zurück zum Byrne/Hilbert-Beispiel und dem Goldfisch: Woran kann es liegen, dass ein Objekt für den Goldfisch ultraviolett aussieht und für den Menschen z. B. blau? Kann man vor dem obigen Hintergrund Folgendes sagen: Gesetzt die Frequenz, von der "am meisten da ist", ist ultraviolett, dann sieht der Goldfisch ein ultraviolettes Objekt, weil sein visueller Apparat die Frequenz entsprechend verarbeiten kann. Wir sehen das aber nicht so, weil unser visueller Apparat das nicht kann. Wir sehen dann vielleicht die Frequenz, die z. B. am zweitmeisten da ist.

Ergibt das so Sinn? Oder habe ich das Ganze komplett missverstanden?

Grüße
Ruffy



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didubadap
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.3, eingetragen 2017-01-12 21:24


Ich denke, das ist eher eine Frage für einen Biologen, denn sie erfordert genauere Kenntniss darüber, wie unser Auge Farben wahrnimmt. Es gibt ja Sehzellen mit Farbstoffmolekülen, die bei bestimmten Wellenlängen des Lichts angeregt werden. Ich nehme an, wir haben einfach keine Zellen, die UV-Licht wahrnehmen können. Solange also das Licht nicht so stark ist, dass unser Auge gegrillt wird, lösen zwei Lichtsignale, deren Spektren sich nur im UV-Bereich unterscheiden den gleichen Sinneseindruck für uns aus. Bei Goldfischen ist das nicht so, da diese wohl mehr Arten von Sehzellen haben?

Das Wort "Farbe" kann man somit mit zwei Bedeutungen verwenden. Einerseits für den Sinneseindruck, andererseits für eine objektive Eigenschaft des Spektrums. Ich denke, es ist öfters der Sinneseindruck gemeint. Dieser Verhält sich etwas anders, als die Wellenlängen. Zum Beispiel nehmen wir eine Mischung von rotem und grünem Licht als gelb wahr, was wir eine Farbe nennen. Dieses Signal entspricht zwar einem bestimmten Spektrum, aber dieses hat "zwei Maxima" bei rot und grün; insbesondere ist der tatsächlich "gelbe" Anteil des Spektrums (um ca. 580 nm) möglicherweise verschwindend gering. (siehe psychologische Farbmischung)

In welcher Farbe ein Beobachter ein Objekt sieht ist somit abhängig vom Vermögen des Beobachters zwischen verschiedenen Spektren zu unterscheiden, von seiner subjektiven und nicht eindeutigen Zuordnung von "Farbbezeichnungen" an Spektren, und vom Spektrum des vom Körper ausgesendeten Lichts. Dieses ist wiederum abhängig vom Spektrum des auf den Körper einfallenden Lichts, sowie von den Materialeigenschaften. Es gibt zum Beispiel Gegenstände, bei denen man sowohl das Transmissionsspektrum als auch das Reflektionsspektrum sehen kann, je nachdem wie sie beleuchtet werden (natürlich ist das streng genommen bei allen Gegenständen der Fall, nur ist der Effekt sonst schwer zu beobachten). Ein prominentes Beispiel ist ein bestimmter Becher aus dem 4. Jahrhundert.



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Dixon
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.4, eingetragen 2017-01-12 23:51


Hallo Ruffy & didubadap,

ich muß da mal was ergänzen.

2017-01-12 15:50 - Ruffy in Beitrag No. 2 schreibt:
Kann man vor dem obigen Hintergrund Folgendes sagen: Gesetzt die Frequenz, von der "am meisten da ist", ist ultraviolett, dann sieht der Goldfisch ein ultraviolettes Objekt, weil sein visueller Apparat die Frequenz entsprechend verarbeiten kann. Wir sehen das aber nicht so, weil unser visueller Apparat das nicht kann. Wir sehen dann vielleicht die Frequenz, die z. B. am zweitmeisten da ist.

Diese Formulierung gefällt mir nicht. Der Sinneseindruck hängt nicht von der Häufigkeit der einfallenden Farbe im Vergleich zu anderen ab. Ein Auge hat eine bestimmte wellenlängenabhängige Empfindlichkeit. So sehen wir Rot und Blau nicht besonders, dafür aber grün am besten. Ein Rotes oder blaues Licht muß viel heller (physikalisch) sein als ein grünes, um die gleiche Helligkeit als Sinneseindruck zu haben.

Zur unterschiedlichen Reflektivität: Ja, solche Stoffe gibt es, Metalle und Halbleiter zum Beispiel. Metalle reflektieren oberhalb der materialabhängigen sogenanten Plasmafrequenz schlechter. Darum ist Gold "goldfarben", weil es blau schlechter reflektiert. Dünne Goldschichten sind in der Durchsicht blau. Halbleiter dagegen reflektieren besser oberhalb einer Photonenenergie, die ihrer Bandlücke entspricht. Silizium ist im Infraroten durchlässig, aber nicht im sichtbaren.

Und zur Formulierung: Mit "Farben" sind im allgemeinen die des für uns sichtbaren Lichtspektrums gemeint, das wird aber schon mal nach höheren und niedrigeren Frequenzen ausgedehnt. Es ist also ein Ausdruck für etwas subjektives. Für eine genaue Angabe muß man Frequenz (im sichtbaren Bereich unüblich), Wellenlänge oder Photonenenergie (so in etwa ab Infrarot aufwärts) angeben: "Licht der Wellenlänge 543 nm hat die Farbe Grün".

Grüße
Dixon


P.S. Frage bitte nicht nach der Farbladung der Quarks...  cool


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Man sollte seine Probleme nämlich nicht lösen, sondern genießen.
- Max Goldt



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Ruffy
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.5, vom Themenstarter, eingetragen 2017-01-16 08:47


Hallo ihr zwei,

vielen Dank für eure Antworten! Die haben mir sehr geholfen.
 
Eine letzte Nachfrage noch: Es geht um die von dir erwähnten „Sehzellen“ (sogenannte „Zäpfchen“), didubadap. Menschen haben im Normalfall drei solcher Typen von Zäpfchen im Auge, Goldfische haben vier und können aufgrund des vierten Typs UV-Licht wahrnehmen. Meine letzte Frage lautet nun:

Nimmt der Goldfisch ein und denselben Weltausschnitt farbig völlig anders wahr als wir? Anders gesagt: Unterscheiden sich aufgrund seiner UV-Empfänglichkeit nahezu alle Farben, die er Objekten zusprechen würde, von denen, die wir denselben Objekten zusprechen würden (oder gibt es nur bei wenigen Objekten Unterschiede)? Die Frage hängt sowohl damit zusammen, wie viel Objekte UV-Licht reflektieren, als auch damit, ob sich womöglich die von didubadap  erwähnte „psychologische Farbmischung“ beim Goldfisch im Allgemeinen deutlich unterscheidet aufgrund seiner UV-Empfänglichkeit.


Grüße
Ruffy



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Folgende Antworten hat der Fragesteller vermutlich noch nicht gesehen.
Er/sie war noch nicht wieder auf dem Matheplaneten
Dixon
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Zum letzten BeitragZum nächsten BeitragZum vorigen BeitragZum erstem Beitrag  Beitrag No.6, eingetragen 2017-01-17 16:45


Hallo Ruffy,

welche "Farbe" hat für Dich ultraviolettes Licht? Das ist ein physiologisches Problem, wir können uns das nicht vorstellen und uns nur mittels Falschfarben einen Eindruck von der Welt eines Goldfisches (oder einer Biene, die sehen glaube ich auch UV) machen.
Die Farbzuordnung ist etwas menschliches. Wie nennt ein Goldfisch die Farbe "Blau"?

Grüße
Dixon



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