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Schlichting!: Zugleich diffus und spiegelnd

Wer bei Reflexionen nur an Spiegelbilder denkt, übersieht leicht das Licht, das raue Oberflächen ungerichtet zurückwerfen.
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Als ich einmal auf jemanden wartete, ging ich vor der leicht konvex gebauten Glasfront eines Gebäudes auf und ab. Dabei blendete mich die hell erleuchtete Pflasterung des Gehwegs. Hier warf gerade eines der Fensterelemente die Sonnenstrahlen auf die Steine. Normalerweise nehmen wir deren Eigenfarbe wahr, weil sie das Licht diffus in viele Richtungen reflektieren. An der betreffenden Stelle jedoch geriet das Sonnenlicht auf zwei verschiedene Weisen in meine Augen: Die diffuse Reflexion überlagerte sich mit einer spiegelnden.

Diese Aufhellung verschwand allmählich, als ich mich von ihr wegbewegte. Dafür tauchte – zunächst schemenhaft, dann immer intensiver – ein weiterer Streifen durch die Rückstrahlung der nächsten Scheibe auf. Sie erreichte ihre maximale Helligkeit im Reflexionswinkel des dort gespiegelten Lichts.

»In dem, was sich mir so als Raum des Lichts darstellt, bedeutet Blick immer ein Spiel von Licht und Undurchdringlichkeit. Es geht stets um ein Spiegeln«
(Jacques Lacan, 1901–1981)

Ein solches Phänomen zeigt also sowohl spiegelnde als auch diffuse Merkmale. Ein perfekter Spiegel hat bekanntlich keine eigene Farbe, sondern nimmt die der Gegenstände an, die er abbildet. Hier allerdings behält der Boden weitgehend seine rötliche Farbe bei. Außerdem sieht man bei einem Spiegel eine Aufhellung nur, wenn man direkt von ihrem Licht getroffen wird. Das liegt an den Regeln der Strahlenoptik: Das unter einem bestimmten Einfallswinkel auftreffende Licht wird stets unter einem gleich großen Reflexionswinkel wieder ausgestrahlt. Nur wenn man sich in dessen Bereich befindet, kann man es wahrnehmen.

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Spiegelschatten | Wenn man in einem Raum seinen Standpunkt wechselt, ändert sich die Position des diffus reflektierten Sonnenlichts nicht – auf dem Foto zu erkennen an der gelblichen Eigenfarbe des Fußbodens. Der bläuliche spiegelnde Reflex des Himmels läuft hingegen mit dem Beobachter mit. Bringt man beides zum Überlappen, wird das Sonnenlicht spiegelnd in die Augen reflektiert.

In diesem Fall war die Aufhellung aber auch noch aus anderen Blickwinkeln zu sehen. Das lässt eine diffuse Reflexion vermuten, bei der Unebenheiten der reflektierenden Fläche das Licht in ganz unterschiedliche Richtungen werfen. Die Tatsache jedoch, dass die Helligkeit mit der Abweichung vom Reflexionswinkel erst allmählich verschwindet, spricht dafür, dass die Reflexion nicht völlig diffus ist, sondern mit der spiegelnden Reflexion zusammenhängt.

Die einzelnen Pflastersteine reflektieren das Licht mit ihren relativ glatten Oberflächen zwar zu einem beträchtlichen Teil spiegelnd. Sie sind aber individuell leicht zur durchschnittlichen Ebene des Gehwegs geneigt. Die Unterschiede betreffen nur einen relativ kleinen Winkelbereich, und größere Ausreißer sind sehr selten. Darum fällt mit zunehmender Entfernung vom Reflexionswinkel des Bodens immer weniger spiegelnd reflektiertes Licht ins Auge.

Hinter vielen alltäglichen Dingen versteckt sich verblüffende Physik. Seit vielen Jahren spürt Hans-Joachim Schlichting diesen Phänomenen nach und erklärt sie in seiner Kolumne der Leserschaft von »Spektrum der Wissenschaft«. Schlichting ist Professor für Physik-Didaktik und arbeitete bis zu seiner Emeritierung an der Universität Münster.

In gewisser Weise erinnert das Phänomen an das »Schwert der Sonne« auf dem Wasser, das durch unterschiedlich orientierte Wellenflanken zu Stande kommt (siehe »Lichtbahnen über den Wellen«, »Spektrum« Juni 2017, S. 58). Diese glänzende Bahn ist stets auf den Beobachter gerichtet und wandert mit ihm mit. Die flächenhafte Scheibe hingegen reflektiert das Licht in genau eine Richtung. Das kommt auch auf dem Wasser vor, wenn zum Beispiel das Fenster eines Boots Licht auf die Oberfläche spiegelt. Dann verschwindet die Aufhellung, wenn man sich aus der Reflexionsrichtung herausbewegt.

Himmlischer Glanz im Zimmer

Eine auf den ersten Blick vergleichbare Situation ergibt sich bei Sonnenstrahlen, die durch ein Fenster auf einen glatten Fußboden fallen. Dieser reflektiert ähnlich wie das Pflaster sowohl diffus als auch spiegelnd. Die Aufhellung des Fußbodens ist von jeder Stelle des Raums aus zu erkennen. Tatsächlich ist das beim Pflaster nicht anders – dessen diffuse Reflexion der direkten Sonnenstrahlung ist ebenfalls aus allen Richtungen zu sehen. Sie fällt bloß deshalb nicht besonders auf, weil (abgesehen von einzelnen Schattenwürfen) das gesamte Pflaster betroffen ist und nicht nur ein klar umrissener Bereich.

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Reflexion | Im Reflexionswinkel vor der Glasscheibe ist die Pflasterung hell erleuchtet (oben). Entfernt man sich, wird der Streifen immer schwächer (Mitte) und verschwindet schließlich. Nun wirft die nächste Scheibe eine schimmernde Bahn (unten).

Von der spiegelnden Reflexion durch den Fußboden sieht man erst dann etwas, wenn man sich in dessen Reflexionswinkel stellt. Dann fällt das Sonnenlicht blendend in die Augen. Der Effekt rührt von der direkten Einstrahlung her und wäre auf dem Pflaster ebenso zu erfahren, falls man zur Sonne gewandt auf den Boden blickte. Dann würde der Reflex sogar jede Standpunktveränderung mitmachen.

Auch im Zimmer verfolgt eine Lichtbahn den Beobachter, wo immer er sich im Raum befindet. Sie rührt jedoch nur indirekt von der Sonne her. Es handelt sich um die spiegelnde Reflexion des vom Fenster ausgeschnittenen Bereichs des Himmels. Das verrät bereits die leichte Blaufärbung. Unebenheiten des Fußbodens verzerren die Form – ähnlich wie Wellen auf dem Wasser.

August 2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft August 2018

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