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19.10.2005

Subjektive Farben: Wie aus schwarz-weiß bunt wird

Die Benham-Scheibe erzeugt einen erstaunlichen optischen Effekt

Ein weißer Bierdeckel, ein kurzer Bleistift und etwas schwarze Farbe reichen aus, um den erstaunlichen optischen Effekt der so genannten Benham-Scheibe zu erzeugen. Diese besteht aus einer schwarz-weißen Scheibe, die bei raschem Drehen urplötzlich Farben zeigt – und zwar jedem Betrachter ganz unterschiedliche. Das Phänomen der subjektiven Farbempfindung, das diesem Experiment zugrunde liegt, ist zwar bereits seit über 100 Jahren bekannt, aber trotzdem bis heute noch nicht restlos verstanden.

Benham-Scheiben gibt es in vielen Spielzeug-Läden zu kaufen. Sie lassen sich aber auch leicht selber bauen.

Der Brite Charles E. Benham, der im 19. Jahrhundert lebte, war nicht nur Physiker, sondern auch Erfinder von Spielen – und experimentierte offenbar sehr gerne. Eines seiner Experimente verhalf ihm dann innerhalb kurzer Zeit sogar zu kommerziellem Erfolg: Eine einfache rotierende Schwarzweißscheibe wurde 1895 unter dem Namen "Artificial Spectrum Top" in den Verkauf gebracht.

Der Name sagt es schon: Es handelt sich dabei um ein künstliches Farbspektrum, das nur subjektiv vom Betrachter wahrgenommen wird. Die Scheibe selbst ist mit einem einfachen Schwarzweißmuster bedruckt. Wird sie jedoch schnell gedreht, sieht der Betrachter farbige Ringe. Die jeweiligen Farben hängen zum einen vom Muster, der Drehgeschwindigkeit sowie der Rotationsrichtung der Scheibe ab. Zum anderen spielt auch das Auge des Betrachters eine wichtige Rolle.

Denn was der experimentierfreudige Mister Benham da bekannt gemacht hat, beruht nach heutigem Wissen auf der Art der menschlichen Farbwahrnehmung. Diese hängt von zwei Typen von Sehzellen ab, den Stäbchen und den Zapfen. Während die Stäbchen für die Unterscheidung von Hell und Dunkel zuständig sind, ermöglichen die Zapfen die Farberkennung. Dabei gibt es drei Arten von Zapfen, die jeweils entweder auf Rot, Grün oder Blau reagieren und die entsprechende Farbinformation dann ans Gehirn übermitteln.

Jeder dieser Zapfentypen reagiert nun je nach Person unterschiedlich rasch. Generell scheinen etwa die blauempfindlichen Zellen langsamer zu sein als die Rotzapfen. Dafür leiten sie die Farbinformation auch dann noch weiter, wenn der Blaureiz gar nicht mehr vorhanden ist. Beim Betrachten der Benham-Scheibe werden nun alle drei Zelltypen angesprochen, da die weißen Teile der Scheibe durch Addition von Rot, Grün und Blau entsteht. Wird die Scheibe jedoch sehr schnell gedreht, sind die Sehzellen ihrem jeweiligen Farbreiz nur sehr kurz ausgesetzt. Durch die unterschiedlichen Reaktionszeiten der verschiedenen Zapfen kommt es dann zu zeitlichen Verschiebungen in der Reizweiterleitung: Der Betrachter sieht also statt weiß zuerst nur den Rotanteil im Weiß, da seine "blauen" Zapfen langsamer sind als die "roten". 

Der Effekt ist zugleich noch abhängig von der Rotationsrichtung der Scheibe. In der Realität sieht es also so aus: Dreht sich die Scheibe gegen den Uhrzeigersinn, erscheinen von außen nach innen Farben, und zwar meist von einem rötlichen Ton am Rand der Scheibe über Grün und Blau bis hin zu Violett im Scheibenzentrum. Rotiert die Scheibe dagegen im Uhrzeigersinn, tauchen diese Farbstreifen in umgekehrter Reihenfolge auf. Bei sehr rascher Rotation verschmelzen die Farben dann immer mehr zu einem einheitlichen Grauton.

Charles E. Benham war allerdings nicht der erste, dem dieses Phänomen der subjektiven Farbempfindung aufgefallen ist. Bereits 1826 hat sich der französische Mönch Benedict Prevost damit beschäftigt und einige Jahre später der deutsche Psychophysiker Gustav Theodor Fechner. Ein Zitat Fechners aus seiner Schrift "Über eine Scheibe zur Erzeugung subjektiver Farben" zeigt, wie genau er damals bereits diesen Effekt untersucht hat: "Ich habe dies Phänomen vielen Personen gezeigt, und dabei gefunden, dass es von ihnen mit sehr ungleicher Deutlichkeit wahrgenommen wird, was auch in Betracht seines subjektiven Ursprungs nicht auffallend sein kann. Einige nannten die Farben brillant. Andere vermochten kaum etwas davon zu sehen; doch glaube ich, dass sie niemandem ganz entgangen sind."

Wer das Phänomen der subjektiven Farben gerne selbst testen möchte, dem stehen verschiedene einfache Möglichkeiten zur Verfügung. Wichtig ist die schnelle Drehbarkeit der Benham-Scheibe. Ob diese mithilfe eines Kreisels aus einem Bierdeckel und einem Bleistift erreicht wird oder durch Anheften der Scheibe mit einer Briefklammer an einer festen Unterlage, bleibt dem Experimentator überlassen.


Weitere Informationen:
Animation des Technikmuseums Berlin