Unsere Welt ist so schön, wie entstehen diese Farben?

Licht bringt Helligkeit in die Welt. Da Menschen und viele Tiere Augen haben, die es ihnen ermöglichen, Licht zu empfangen und zu fühlen, sind sie in der Lage, die Welt zu verstehen und die Schönheit des Frühlings, Sommers, Herbstes und Winters zu genießen.

Wenn es kein Licht gibt, ist die Welt dunkel und die Menschen können nichts sehen. Doch mit Licht erstrahlt die Welt in all ihrer Farbenpracht. Manche Menschen glauben vielleicht, dass die Welt von Natur aus bunt ist und dass Licht diese bunte Welt lediglich erhellt.

Tatsächlich ist die Welt farblos. Es ist das Licht, das der Welt Farbe verleiht. Tatsächlich ist diese Welt neben Materie auch voller Energie. Elektromagnetische Wellen sind die wichtigste Art der Energieübertragung in unserer Welt, und das Übertragungsmedium sind Photonen. Daher können elektromagnetische Wellen auch als Lichtwellen bezeichnet werden. Lichtwellen können in viele Typen mit unterschiedlichen Bändern und Frequenzen unterteilt werden, hauptsächlich in Radiowellen (einschließlich Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen, Mikrowellen), Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.

Mit Ausnahme des sichtbaren Lichts sind alle anderen Lichtwellen unsichtbar, können aber mit entsprechenden Instrumenten sichtbar gemacht werden. Radioteleskope und verschiedene Strahlenteleskope können diese unsichtbaren Lichtwellen sehen oder empfangen. Die Wellenlänge elektromagnetischer Wellen reicht von Kilometern bis zu Attometern (1 Attometer = 10^-18 Meter).

Im Allgemeinen liegt die Wellenlänge von Radiowellen zwischen 3000 Metern oder mehr und 0,1 mm; die Wellenlänge von Infrarotwellen reicht von 0,1 mm bis 760 Nanometer; die Wellenlänge des sichtbaren Lichts reicht von 760 Nanometern bis 380 Nanometern; die Wellenlänge der ultravioletten Strahlen reicht von 380 Nanometern bis 10 Nanometern; die Wellenlänge von Röntgenstrahlen reicht von 10 Nanometern bis 1 Pikometer; Die Wellenlänge von Gammastrahlen beträgt weniger als 10^-12 Meter und die Wellenlänge der energiereichsten Gammastrahlen kann nur 10^-30 Meter betragen!

Je kürzer die Wellenlänge der Lichtwellen, desto höher die Frequenz und desto höher die Energie. Lichtwellen mit einer kürzeren Wellenlänge als sichtbares Licht haben eine höhere Frequenz und daher mehr Energie. Beispielsweise sind Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen für Lebewesen und Menschen tödlich, insbesondere Röntgen- und Gammastrahlen können bei übermäßiger Belastung zum Tod führen.

Die Beziehung zwischen Wellenlänge und Frequenz folgt der Formel: c=λf oder λ=c/f oder f=c/λ. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und f die Frequenz.

Sichtbares Licht ist das, was das menschliche Auge sehen kann. Sichtbares Licht ist ein zusammengesetztes Licht und nicht farblos. Es wird im Allgemeinen in sieben Farben unterteilt: Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett. Die Wellenlänge verkürzt sich schrittweise von 760 Nanometern auf 380 Nanometer. Daher hat rotes Licht vom sichtbaren Licht die niedrigste Energie und violettes Licht die höchste Energie. Sonnenlicht ist ein solches zusammengesetztes Licht. Durch ein Prisma können diese unterschiedlichen Lichtfarben durch Brechung zerstreut werden, was als Dispersion bezeichnet wird.

Im Allgemeinen beträgt der Wellenlängenbereich der sieben Lichtfarben ungefähr: rotes Licht 760–622 Nanometer; orangefarbenes Licht 621–597 Nanometer; gelbes Licht 596–577 Nanometer; grünes Licht 576~492 Nanometer; Cyanlicht 491–450 Nanometer; blaues Licht 449–435 Nanometer; und violettes Licht 434–380 Nanometer.

Genau genommen haben diese sieben Farben keine klaren Trennlinien, sondern verlaufen stufenweise von 760 Nanometern rotem Licht bis zu 380 Nanometern violettem Licht. Bei einer kürzeren Wellenlänge entsteht ultraviolettes Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar ist. Die Wellenlängen der verschiedenen Farben sind nur relativ und dienen der Übersichtlichkeit. Es gibt keine strikte und genaue Grenze. Daher sind die in verschiedenen Materialien beschriebenen Daten zu den Wellenlängen verschiedener Lichtfarben nicht genau gleich.

Da sichtbares Licht so viele Farben hat, können theoretisch unzählige Farben gemischt werden, indem verschiedene Farben in unterschiedlichen Anteilen kombiniert werden. Die bizarren Farben dieser Welt werden durch sichtbares Licht gemischt.

Wie färbt sichtbares Licht die Welt? Unsere Welt besteht aus allen möglichen seltsam geformten Substanzen, deren Funktion darin besteht, Licht zu absorbieren, zu reflektieren, zu brechen und zu streuen. Verschiedene Substanzen haben unterschiedliche Absorptionsraten für Licht in verschiedenen Bändern und auch die Methoden und Anteile der Reflexion, Brechung und Streuung sind unterschiedlich. Auf diese Weise kann das absorbierte Licht vom menschlichen Auge nicht gesehen werden, das nicht absorbierte Licht jedoch schon, und verschiedene Objekte erscheinen in unterschiedlichen Farben.

Wenn ein Objekt beispielsweise hauptsächlich rotes Licht von etwa 700 Nanometern absorbiert, ist das vom menschlichen Auge wahrgenommene reflektierte Licht grün; Wenn es hauptsächlich Cyanlicht von etwa 500 Nanometern absorbiert, ist das reflektierte Licht, das das menschliche Auge wahrnimmt, rot.

Warum verschwimmen also dieselben Substanzen wie Ziegel, Eisenblöcke, Steine, Sand usw. nicht, können aber dennoch vom menschlichen Auge unterschieden werden? Dies liegt daran, dass diese Objekte nur annähernd gleich sind, leicht unterschiedliche Formen aufweisen und nicht vollkommen identisch sind. Auch ihre Positionen und Winkel sind unterschiedlich. Obwohl die Wellenlängen des von ihnen absorbierten und reflektierten Lichts ungefähr gleich sind, ist das Ausmaß der Absorption und Reflexion unterschiedlich, sodass die vom menschlichen Auge wahrgenommenen Farben unterschiedlich sind.

Beispielsweise absorbieren und reflektieren die Blätter desselben Baumes Licht mit ähnlichen Wellenlängen, sodass die Blätter, die wir sehen, im Allgemeinen grün sind. Allerdings hat jedes Blatt eine andere Form, Größe und Ausrichtung zur Lichtquelle. Die Blätter, die wir sehen, sind hell und dunkel und die Farben sind nicht genau gleich, sodass ein Gefühl von Schichtung entsteht.

Wenn wir ein Objekt einer bestimmten Farbe sehen, liegt das theoretisch daran, dass das Objekt von dieser Farbe abgestoßen wird und das Licht dieser Farbe zurückreflektiert, während die Farbe absorbiert wird, die das menschliche Auge nicht sehen kann, also das Licht im Komplementärband zur gesehenen Farbe. Wenn ein Objekt das gesamte Licht reflektiert oder absorbiert, sehen wir es weiß oder schwarz.

Können Weiß und Schwarz Licht absolut reflektieren und absorbieren? Da Licht eine Farbe hat, was würde passieren, wenn ein bestimmtes Objekt auf dieser Welt kein Licht oder das gesamte Licht absorbieren würde? Dies ist der theoretische weiße und schwarze Körper. Die Reflektivität ρ eines Objekts gibt dessen Fähigkeit an, vor Strahlung zu schützen. Ein weißer Körper hat für Licht eine Reflektivität von ρ=1 und wird vom Menschen als rein weiß wahrgenommen. Das Gegenteil hierzu ist ein schwarzer Körper, der für Lichtstrahlung einen Absorptionsgrad von α=1 besitzt, also alles Licht absorbiert.

Der sogenannte weiße und schwarze Körper absorbieren und reflektieren nicht nur sichtbares Licht, sondern die gesamte elektromagnetische Strahlung, einschließlich der gesamten Absorption oder Reflexion von Radio-, Infrarot-, sichtbaren Licht-, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen. Nur dann können sie als weißer Körper und schwarzer Körper oder auch als absoluter weißer Körper und absoluter schwarzer Körper bezeichnet werden.

In der realen Welt gibt es keine wirklich perfekten weißen oder schwarzen Körper, sondern nur solche, die dem sehr nahe kommen. Weißer Schnee ist im Hinblick auf sichtbares Licht ein weißer Körper. Da die Reflektivität von unverschmutztem weißem Schnee gegenüber sichtbarem Licht nahe ρ=1 liegt, erscheint er dem menschlichen Auge weiß. Weißer Schnee hat jedoch überhaupt keinen Widerstand gegen Infrarotstrahlen und seine Absorption liegt bei nahezu α=1, sodass weißer Schnee im Verhältnis zu Infrarotstrahlen ein schwarzer Körper ist.

Das Team von Professor Ruan Xiulin an der Purdue University in den USA hat eine ultraweiße Farbe erfunden, die 98,1 % des Sonnenlichts reflektiert, während die Reflektivität der auf dem Markt erhältlichen weißen Farbe nur 90 % beträgt. Diese ultraweiße Farbe aus Bariumsulfat, die Kälte ausstrahlen kann, ist die weißeste Farbe im Guinness-Buch der Rekorde.

Mit dieser Farbe beschichtete Gegenstände können um bis zu 11 °C unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden. Ruan Xiulin sagte in einem Interview mit den Medien, dass durch das Streichen eines 1.000 Quadratmeter großen Dachs mit superweißer Farbe eine Kühlleistung von schätzungsweise 10 Kilowatt erreicht werden könne, was mehr sei als bei einer zentralen Klimaanlage.

Es ist ersichtlich, dass weißer Körper nicht nur weiß aussieht, sondern auch die beste Technologie zur Energieeinsparung und Emissionsreduzierung darstellt.

Das britische Unternehmen Surrey Nano hat ein Material namens Vantablack entwickelt. Wenn dieses Material auf eine Statue aufgetragen wird, kann das menschliche Auge die dreidimensionalen konkaven und konvexen Details der Statue nicht mehr erkennen. Zu sehen ist lediglich eine schwarze Fläche, die auch mit starkem Licht nicht erhellt werden kann. Das Material soll 99,96 % des einfallenden Lichts absorbieren, d. h. seine Reflektivität beträgt nur 0,04 %, daher der Name „Schwarzer Körper“.

Wenn also alle Materie in dieser Welt aus weißen oder schwarzen Körpern besteht, können unsere menschlichen Augen nur eine schwarz-weiße Welt sehen. Darüber hinaus haben sich das menschliche Auge und das Gehirn über einen langen Zeitraum in einer Umgebung mit Lichtquellen entwickelt, sodass sie für verschiedene Farben empfindlich sind. Wenn ein Problem mit den Fotorezeptorzellen vorliegt, treten Symptome der Farbenblindheit auf und die Fähigkeit, bestimmte Farben zu unterscheiden, geht verloren oder man sieht nur noch eine grau-weiße Welt.

Das ist alles für heute, vielen Dank fürs Lesen und herzlich willkommen zur Diskussion.

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