Wie unmögliche Farben funktionieren

Eine Banane zum Beispiel ist nicht von Natur aus gelb. Um es zu beweisen, stolpern Sie mitten in der Nacht in Ihre Küche und halten sich eine Banane vors Gesicht. Welche Farbe hat es? Irgendwie ein schmutziges Grauschwarz, aber definitiv kein Gelb. Das liegt daran, dass Farben nicht von Objekten emittiert werden; sie werden reflektiert. Eine Banane ist gelb, weil sie gelb zurückstrahlt, wenn Licht von einer Banane reflektiert wird.

Wie funktioniert es? Weißes Licht – wie Sonnenlicht oder das Licht einer hellen Glühbirne – besteht aus Wellenlängen , die das gesamte sichtbare Spektrum abdecken. Wenn weißes Licht durch ein Prisma fällt, können Sie alle reinen Farben im Spektrum sehen: Violett, Indigo , Blau, Grün, Gelb, Orange und Rot.

Wenn weißes Licht auf eine Bananenschale scheint, passiert etwas Unglaubliches. Ein natürliches Pigment in der Bananenschale namens Xanthophyll ist chemisch so programmiert, dass es bestimmte Wellenlängen absorbiert und andere reflektiert. Die dominante reflektierte Wellenlänge von Xanthophyll ist gelb.

Aber das Gelb dieser Banane existiert immer noch nicht. Es beginnt erst zu existieren, wenn das von dieser Schale reflektierte Licht von Millionen von Farbsensorzellen in Ihrer Netzhaut, den Zapfen, erkannt wird. Es gibt drei Arten von Zapfen, die jeweils für die Wahrnehmung einer anderen Lichtwellenlänge verantwortlich sind. Die Zapfen senden elektrische Impulse an das Gehirn, wo die Daten zu einer einzigen erkennbaren Farbe verarbeitet werden: Gelb [Quelle: Pappas ].

Die Moral der Farbgeschichte lautet: Ohne unsere Zapfen und ohne unser Gehirn existieren keine Farben. Und selbst wenn sie es tun, geschieht dies nur im Kopf des Betrachters. Was zu einer faszinierenden Frage führt: Was ist, wenn es Farben im sichtbaren Spektrum gibt, die unsere Zapfen und unser Gehirn nicht sehen können? Tatsächlich gibt es sie. Sogenannte unmögliche Farben oder verbotene Farben brechen mit den biologischen Regeln der Wahrnehmung. Einige Forscher glauben jedoch, einen Weg gefunden zu haben, das Unmögliche zu sehen.

Beginnen wir damit, tiefer in die Wissenschaft der Farbwahrnehmung einzutauchen.

1. Farbgegner
2. Experimente mit unmöglichen Farben
3. Wie man unmögliche Farben sieht

Wie wir bereits besprochen haben, sind die Farben, die wir als Rot, Grün, Gelb, gebranntes Siena usw. wahrnehmen, das Ergebnis von reflektiertem Licht , das von Zapfen in unseren Augen erfasst und dann von unserem Gehirn verarbeitet wird. Um zu verstehen, warum sogenannte unmögliche Farben die Regeln der visuellen Wahrnehmung brechen , müssen wir mehr darüber verstehen, wie unsere Zapfen und unser Gehirn interagieren.

Jedes Ihrer Augen enthält ungefähr 6 Millionen Zapfen, die sich in der Mitte der Netzhaut konzentrieren [Quelle: Pantone ]. Diese Zapfen gibt es in drei verschiedenen Wellenlängen: kurz, mittel und lang. Wenn ein Kegel ein starkes Signal in seinem Wellenlängenbereich empfängt, sendet er elektrische Impulse an das Gehirn. Die Aufgabe des Gehirns besteht darin, die Millionen elektrischer Signale von jedem Kegel zu kombinieren, um ein zusammengesetztes „Bild“ der wahren Farbe zu erstellen.

Das Gehirn ist natürlich kein Computer, sondern hat einen eigenen komplexen Klumpen hochspezialisierter Zellen. Die Zellen, die für die Verarbeitung der elektrischen Signale von den Zapfen verantwortlich sind, werden als gegnerische Neuronen bezeichnet [Quelle: Wolchover ]. Es gibt zwei Arten von gegnerischen Neuronen, die sich im visuellen Kortex des Gehirns befinden: rot-grüne gegnerische Neuronen und blau-gelbe gegnerische Neuronen.

Diese Gehirnzellen werden Gegenneuronen genannt, weil sie binär funktionieren: Das Rot-Grün-Gegenneuron kann entweder Rot oder Grün signalisieren, aber nicht beides. Und das blau-gelbe Gegenneuron kann entweder blau oder gelb signalisieren, aber nicht beides.

Wenn Sie ein reines gelbes Bild betrachten, wird der gelbe Anteil des blau-gelben Gegenneurons erregt und der blaue Anteil gehemmt. Wechseln Sie zu einem rein blauen Bild und der blaue Teil des gegnerischen Neurons wird angeregt und der gelbe wird gehemmt. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden versuchen, ein Bild zu sehen, das gleichzeitig blau und gelb ist. Die gegnerischen Neuronen können nicht gleichzeitig erregt und gehemmt werden.

Deshalb, mein Freund, ist Blau-Gelb eine unmögliche Farbe. Dasselbe gilt für Rot-Grün. Du sagst vielleicht: „Moment mal, ich weiß genau, wie Gelb und Blau zusammen aussehen – es ist Grün! Und Rot und Grün ergeben eine Art schlammiges Braun, richtig?“ Netter Versuch, aber das ist das Ergebnis der Mischung zweier Farben, nicht eines einzigen Pigments, das gleichermaßen blau-gelb oder gleichermaßen rot-grün ist.

Bereits im Jahr 1801, lange bevor Wissenschaftler Zapfen und Neuronen kannten, stellte der englische Arzt Thomas Young die Theorie auf, dass das menschliche Auge drei Arten von Farbrezeptoren hat: Blau, Grün und Rot. Youngs trichromatische Farbtheorie wurde in den 1960er Jahren als richtig bewiesen, als entdeckt wurde, dass Zapfen (benannt nach ihrer Form) eine besondere Empfindlichkeit gegenüber blauem, grünem und rotem Licht haben [Quelle: Nassau ].

Die gegensätzliche Theorie der Farbwahrnehmung gibt es seit den 1870er Jahren, als der deutsche Physiologe Ewald Hering erstmals postulierte, dass unser Sehen von gegensätzlichen Farben beherrscht wird: Rot gegen Grün und Blau gegen Gelb. Herings Gegentheorie wird durch die Tatsache gestützt, dass es keine Farben gibt, die als rötlich-grün oder gelblich-blau beschrieben werden könnten, sondern jede andere Farbe im sichtbaren Spektrum durch Kombination von rotem oder grünem reflektiertem Licht mit gelbem oder blauem [Quelle : Billock und Tsou ].

Sowohl die trichromatische Farbtheorie als auch die Gegentheorie wurden mehr als ein Jahrhundert lang als unveränderliche Wahrheiten der Farbwahrnehmung behandelt. Zusammengenommen argumentieren die beiden Theorien, dass es für das menschliche Auge oder den menschlichen Verstand unmöglich ist, bestimmte Farben wahrzunehmen, die als Rot-Grün oder Blau-Gelb beschrieben werden.

Zum Glück gibt es immer ein paar abtrünnige Wissenschaftler, die gerne an die Grenzen des Möglichen gehen. In den frühen 1980er Jahren entwarfen die visuellen Wissenschaftler Hewitt Crane und Thomas Piantanida ein Experiment mit dem Ziel, das Gehirn dazu zu bringen, unmögliche Farben zu sehen.

In dem Experiment von Crane und Piantanida wurden die Probanden angewiesen, auf ein Bild mit zwei benachbarten roten und grünen Streifen zu starren. Die Köpfe der Probanden wurden mit einer Kinnstütze stabilisiert und ihre Augenbewegungen von einer Kamera verfolgt. Bei jedem kleinen Augenzucken eines Probanden wurde das rote und grüne Bild automatisch so angepasst, dass der Blick des Probanden auf die entgegengesetzten Farben fixiert blieb [Quelle: Billock und Tsou ].

Die Ergebnisse, die 1983 in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, waren überwältigend. Wenn Menschen lange genug auf benachbarte, gegenüberliegende Farben starrten, würde sich die Grenze zwischen ihnen auflösen und eine neue „verbotene“ Farbe würde entstehen. Die resultierende Farbe war so neu, dass die Probanden große Schwierigkeiten hatten, sie überhaupt zu beschreiben [Quelle: Wolchover ].

Durch die Stabilisierung des Bildes zur Verfolgung der Augenbewegungen stellten Crane und Piantanida die Theorie auf, dass verschiedene Bereiche des Auges kontinuierlich in Licht unterschiedlicher Wellenlängen getaucht werden, was dazu führt, dass einige gegnerische Neuronen erregt und andere gleichzeitig gehemmt werden.

Seltsamerweise wurde das Experiment von Crane und Piantanida als Salontrick abgetan, und mehreren anderen Visionswissenschaftlern gelang es nicht, die gleichen dramatischen Ergebnisse zu erzielen. Erst im 21. Jahrhundert erhielten unmögliche Farben ein zweites Leben.

Als Forscherteams versuchten, die revolutionären Experimente von Crane und Piantanida mit unmöglichen Farben nachzustellen, kamen sie oft zu enttäuschenden Ergebnissen. Anstatt brandneue Farbtöne von grünlich-rot oder bläulich-gelb zu sehen, beschrieben die Probanden die gemischte Farbe am häufigsten als schlammbraun [Quelle: Wolchover ]. Andere würden grüne Felder mit verpixelten roten Punkten sehen, die darüber verstreut sind. Unmögliche Farben wurden zu einem wissenschaftlichen Witz.

Aber 2010 waren unmögliche Farben wieder in den Schlagzeilen. Diesmal glaubten zwei visuelle Forscher der Wright-Patterson Air Force Base in Ohio, herausgefunden zu haben, warum Crane und Piantanida erfolgreich waren, wo andere gescheitert waren.

In einem Artikel von Scientific American identifizierten die Biophysiker Vincent Billock und Brian Tsou die Kombination von Eye-Tracking und Luminanz (Helligkeit) als Schlüssel, um das Gehirn dazu zu bringen , unmögliche Farben zu sehen [Quelle: Billock und Tsou ].

Billock und Tsou führten ihre eigenen Experimente durch, bei denen die Probanden erneut an eine Kinnstütze geschnallt und mit der neuesten Netzhaut-Tracking-Technologie überwacht wurden. Nachdem die Bilder auf die Augenbewegungen der Probanden stabilisiert waren, spielten Billock und Tsou mit der Helligkeit oder Luminanz der beiden gegenüberliegenden Farbstreifen.

Wenn es einen Helligkeitsunterschied gab, erlebten die Probanden die in früheren Experimenten berichteten verpixelten Farben. Aber wenn die beiden Farben äquiluminant wären – genau die gleiche Helligkeit – dann sahen sechs von sieben Beobachtern unmögliche Farben [Quelle: Billock und Tsou ]. Noch besser, zwei von ihnen konnten die neuen Farben noch Stunden nach Ende des Experiments in ihrem Kopf sehen.

Sehen unmöglich

Kannst du dir beibringen, unmögliche Farben zu sehen? Während nur wenige von uns einen Netzhautstabilisator im Keller haben, gibt es einige einfachere Übungen, die das Gehirn vorübergehend dazu bringen können, das Verbotene zu sehen. Am einfachsten ist es, auf ein Bild mit zwei gegenüberliegenden Farbquadraten zu starren, jedes mit einem weißen Pluszeichen in der Mitte. Entspannen Sie sich und kreuzen Sie Ihre Augen, bis die beiden Pluszeichen zu einem verschmelzen [Quelle: Wilkins ]. Was siehst du?

Anmerkung des Autors: Wie unmögliche Farben funktionieren

Nehmen wir uns einen Moment Zeit, um das Wunder des Farbsehens zu würdigen. Das Tierreich hat die biologische Technologie entwickelt, um subtile Variationen in den Energiewellenlängen von reflektiertem Licht zu erkennen und diese Daten in 3-D-Farbbilder zu übersetzen. Es wird geschätzt, dass Menschen bis zu 10 Millionen verschiedene Farben sehen können. Warum zum Teufel haben wir diese Fähigkeit entwickelt; Crayola könnte also eine 10-Millionen-Packung Buntstifte herausbringen? Einige Evolutionsbiologen glauben, dass sich das Trichromaten-Farbsehen bei Primaten entwickelt hat, um uns zu helfen, bunte Beeren zu erkennen. Andere Tiere haben Augen und Gehirne, die über das sichtbare Spektrum hinaussehen können. Honigbienen können in Infrarot sehen. Schmetterlinge und einige Fische nehmen ultraviolettes Licht wahr. Die Existenz unmöglicher Farben lässt Sie sich fragen, was es da draußen noch gibt, das wir nicht sehen können ... noch nicht.

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