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Das Wesen des Lichts

»Licht ist Energie und ebenso Information –
Inhalt, Form und Struktur.
Es bildet das Poteanzial für alles.«
David Bohm (1917–1992) USA Quantenphysiker und Philosoph

URKNALL

Am Anfang war das Licht

Der Urknall ist nach dem Standardmodell der Kosmologie der Beginn des uns bekannten Universums. Vor ca. 13,82 Milliarden Jahren entstanden im Urknall gleichzeitig Materie, Raum und Zeit. Hätte nur eine der bekannten physikalischen Konstanten einen geringfügig anderen Wert gehabt, wäre das Universum vielleicht wieder in sich zusammengefallen. Insofern entstanden mit dem Urknall auch die Naturgesetze.

Während der ersten 400.000 Jahre war das entstandene Plasma so dicht, dass kein Licht entweichen konnte. Erst als es »durchsichtig« wurde, entkoppelten sich auch die Photonen. Die Strahlung trennte sich von der Materie und die Gravitation konnte sich entfalten – so verklumpte die Materie um Kerne aus Dunkler Materie. Nach und nach sammelte sich um diese Kerne gasförmige Materie, bis die Gravitation sie zusammenstürzen ließ, und wo genug Materie zusammenkam, entzündete sich das Kernfusionsfeuer der ersten Sonnen. Erst hier, im Zentrum der Sterne, entstanden die schwereren Elemente, aus denen auch wir bestehen.

Das Verständnis von Licht führt zu den Anfängen des Universums, an die Grenzen allen Seins.

 

 

DIE SONNE

Die Sonne schickt uns keine Rechnung

Die Sonne ist der Stern im Zentrum unseres Sonnensystems. Trotz ihrer Entfernung von durchschnittlich 150 Millionen Kilometern ist die Sonne für das Leben auf der Erde von fundamentaler Bedeutung. Viele wichtige Prozesse auf der Erdoberfläche, wie das Klima und das Leben selbst, werden durch die Strahlungsenergie der Sonne ermöglicht. So stammen etwa 99,98 Prozent des gesamten Energiebeitrags zum Erdklima von der Sonne.

Triebkraft der Sonne sind Fusionsprozesse in deren Kern, bei denen Wasserstoffatome zu Helium fusionieren und dabei enorme Mengen Energie freisetzen. Bei diesen Prozessen werden auch Photonen freigesetzt. Diese benötigen rund 150.000 Jahre vom Kern bis an die Oberfläche der Sonne.

Ist die Sonne auf der einen Seite Lebens-spender, so ist sie auch eine Gefahr für unsere technisierte Welt. Magnetische Sonnenstürme können zeitweilig Funkübertragungen (z. B. Rundfunk oder Mobilfunk durch den Ausfall von Satelliten) und Kompassnadeln stören. Eine andere Wirkung ist jedoch noch viel bedrohlicher: In langen elektrischen Leitern, wie beispielsweise Überlandleitungen und Pipelines, können Ströme von teils beachtlicher Stärke induziert werden, die dann zu dauerhaften Schäden in Transformatoren führen können. Dies kann langandauernde und weitreichende Stromausfälle zur Folge haben.

Unsere Sonne und Ihre grundlegende Bedeutung besser kennen zu lernen – das ist ein Anliegen der LICHTZEIT.

PHOTOSYNTHESYS

Light is life

Photosynthesis is carried out by plants, algae, and some bacteria groups. With the help of light absorbing pigments like chlorophyll, light energy is transformed into chemical energy in this biochemical process. From low-energy anorganic substances like carbon dioxide (C02) and water (H2O), energy-rich organic bonds are produced in the form of carbohydrates. Oxygen is produced as a byproduct in the process.

Billions of years ago, the first oxygen of the earth was produced by algae, using light and water of the oceans. Algae were at the beginning of evolution and still mark the starting point of the food chain today.

Today, algae fulfill a variety of functions. One of these functions is the use in cleaning power plant emissions. CO2 reduction is one of the most pressing issues of the climate debate.

By 1939, Hans Gaffron had already developed methods of hydrogen production (bio hydrogen) using the Chlamydomonas Reinhardtii species of algae. An algae-reactor or photobio-reactor can be used to do this today. Some algae can be used to synthesize biodiesel. Algae biomass can be fermented to bio gas, or be used for thermal energy production in factories. The CO2 necessary to cultivate algae can be provided by the emissions of power plants.

NATURPHÄNOMENE

Licht-Spektakel

In Polargegenden zeigen sich manchmal des Nachts überwältigend strahlende Himmels-erscheinungen: Polarlichter. So eine Aurora
entsteht, wenn geladene Teilchen des Sonnen-windes auf das Magnetfeld der Erde treffen, das sich ja bekanntlich an den Polen bündelt.

Auch das Phänomen der Blitze ist erklärbar als Lichtbögen einer Entladung von elektrischen Feldern in Gewitterwolken. Aber es ist noch immer rätselhaft, was sie auslöst und unvorhersehbar, wo sie einschlagen. Benjamin Franklin beobachtet, dass Blitze in hohe Eisenstangen eindringen und erfand daraufhin 1749 den Blitzableiter. Geheimnisvoll und wenig erforscht sind auch gigantische Kugelblitze über den Wolken, die sich zur Ionosphäre entladen – sogenannte Kobolde.

Und auch im Kleinen leuchtet die Natur überraschend: Faulgase als Irrlichter über Sümpfen und Mooren, Biolumineszenz in phosphorisierenden Algen oder Glühwürmchen.

Die Natur zeigt eine Vielzahl von Licht-erscheinungen. Wie entstehen sie? Können sie genutzt werden?

TAGESLICHT

Vorwärts zur Sonne – oder lieber in den Schatten

Sonne steigert das Wohlbefinden. Zumindest nördlich der Alpen, wo die Bewohner bei Sonnenschein prompt kurze Hosen anziehen. Im Urlaub zieht es sie in den Süden, wo sie ihre Badetücher auf den Sonnenliegen am »Teutonengrill« ausbreiten. Denn erwiesenermaßen brauchen Menschen die ultraviolette Strahlung der Sonne, um in ihrer Haut Vitamin D zu bilden, das Zellen aufbaut und Krankheiten vorbeugt.

Zuviel Sonne auf der Haut der »kaukasischen« Bleichgesichter erhöht jedoch deren Hautkrebsrisiko. Durch die Schädigung der Ozonschicht – hauptsächlich durch anthropogene Chemie in der Atmosphäre – treffen vermehrt UV-Anteile des Sonnenlichts auf die Erde, vor allem in den Polregionen.

Es gibt Gegenden, wo die Sonne als feindlich empfunden wird: Hier leiden vor allem Frauen an Vitamin D-Mangelerscheinungen, da sie ihre Haut nicht dem Sonnenlicht aussetzen. Die stärkere Pigmentierung der »Dunkelhäutigen« hingegen schützt vor den schädlichen Anteilen der Sonnenstrahlung.

Wie wirkt Sonne, wie farbiges Licht auf Menschen? Welche kulturellen oder ästhetischen Auswirkungen hat das?

SEHEN

Rezeption – Perzeption

Es braucht zwei Augen, um sich in dreidimensionalen Welten zurechtzufinden. Dazu haben menschliche Augen eine Netzhaut (Retina) mit 120 Millionen Stäbchen für das Schwarz-Weiß-Sehen des Nachts und 6 Millionen Zapfen (rot-, grün- und blauempfindliche) für das Farbsehen. Sehnerven versorgen den visuellen Cortex hinten in der Großhirnrinde mit Impulsen, woraus Bilder werden. Menschen sind visuelle Wesen. Wie wir Situationen bewerten – da leitet uns der Gesichtssinn instinktiv. Die Natur stattet schon Einzeller mit Fotorezeptoren aus, um sich nach dem Licht zu richten. Und Insekten sehen viermal so schnell wie wir, auch ultraviolett und 360 Grad. Adleraugen haben das achtfache Auflösungsvermögen unserer Augen und Bewegungen erscheinen ihnen wie sechsfache Zeitlupe. Faszinierend. Augen sehen das, was man zum Überleben benötigt.

Wie lernen Menschen sehen? Was sehen Säuglinge? Wie werden wir zum visuellen Wesen Mensch? Wie sehen Tiere? Was hat die Evolution an Rezeptoren im Repertoire?

FARBE

Licht hat keine Farbe

Da staunen nicht nur kleine Kinder, wenn sich beim Malen aus zwei Farben eine neue mischt: etwa Orange aus Gelb und Rot. Diese subtraktive Farbmischung inspirierte Goethe zu einer eigenen Farbtheorie, die aber nur für körperliche Pigmentmischungen zutrifft. Newtons Einsicht, dass im weißen Licht das ganze Spektrum aller Farben enthalten ist, bewahrheitete sich. Helmholtz und Grassmann erkannten, dass sich jede Farbe mit drei Werten bestimmen lässt.

Mit dem Dreifarben-Prinzip Rot, Grün, Blau funktionieren Retinae und Displays in additiver Farbmischung. Für den Druck bewährten sich vier Farben: Cyan, Magenta, Yellow, Key (Schwarz). Gestalter nutzen auch schlecht mischbare Sonderfarben wie z.B. Gold aus dem Pantone®-Fächer. Designer definieren Farben gerne in dreidimensionalen Farbräumen, in denen der Farbton, die Sättigung und der Hell-Dunkel Wert einstellbar sind.

Warum ist Licht selbst farblos, obwohl es aus farbigem Licht verschiedener Wellenlängen besteht? Warum ist die Liebe rot,
die Hoffnung grün, die Freiheit blau und der Tod schwarz oder weiß?

SINNESTÄUSCHUNG

Wir sehen nicht nur mit den Augen

Als ob sie sich bewegen. So nehmen wir die ineinander verschlungenen Kreise links wahr. Auch erscheint uns der akkurat gezeichnete Würfel als Kipp-Figur, manchmal von unten, im nächsten Augenblick von oben betrachtet. Oder ein Körper wirkt mal kleiner mal größer, je nachdem wie groß die umliegenden Körper sind. Escher-Bilder sind voll solcher Irritationen.

Optische Täuschungen sind keine Fehlfunktionen des Auges, sondern ein Effekt im Gehirn. Zur Erklärung braucht es neben der Physiologie der Sinne die Psychologie der Wahrnehmung, und evtl. eine Gestalttheorie. Demnach scheint es, dass die gesamte Seherfahrung auch immer eine Bedeutungszuweisung oder zumindest die Relation zur Umgebung mit einschließt. Aus Licht wird Einsicht. So gelingen der Illusionsmalerei nahezu perfekte Eindrücke von unmöglichen dreidimensionalen Räumen.

Der Akt des Sehens geschieht im Gehirn. Licht wird zu neuronalen Reizen und im nächsten Moment mit gelernten Bildern abgeglichen. Ein komplexer Prozess.

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