Optik

Früher dachte man, ein Regenbogen verweist auf einen Schatz an seinem Ende. Erst jetzt kommen Forscher dahinter, welche Botschaften wirklich in dem Himmelsereignis stecken.

Wenn alle Flüsse vergiftet, die Wälder krank und die Herzen der Menschen kalt geworden sind, werden die Regenbogenkrieger kommen. Mit ihnen beginnt eine neue Zeit, denn sie bringen die Erde zu ihrer natürlichen Ordnung zurück. So heißt es in einer Prophezeiung nord­amerikanischer Indianer, die durch das 1962 erschienene Kultbuch »Warriors of the Rainbow« weltweit bekannt wurde.

Zwar weiß inzwischen niemand mehr, ob die Vision ursprünglich von den Hopi-Indianern stammt oder von den Cree. Oder vielleicht von Black Elk, einem Medizinmann der Lakota Sioux, der Anfang des 20. Jahrhunderts lebte und die Umweltzerstörung voraussagte. Doch das Bild von den Regenbogenkriegern gehört heute zu den populärsten Mythen von einer »grüneren« Zukunft. »Rainbow Warrior« taufte beispielsweise die Umweltorganisation Greenpeace ihr erstes Schiff. 1978 kreuzte es erstmals vor Island auf, als Teil einer Protestkampagne gegen den Walfang. Und in Erwartung der Regenbogenkrieger versammeln sich seit über 30 Jahren regelmäßig Menschen aus aller Welt zu friedlichen »Rainbow Gatherings«. In freier Natur, meist in großen Wäldern, proben sie zusammen für einige Tage das Leben in Harmonie mit sich und der Umwelt.

Grüne Hoffnungen und fröhliche Naturrituale im Zeichen des Regenbogens: Das ist die moderne Variante eines Kults, der seit Urzeiten existiert. Weltweit beziehen sich unzählige Schöpfungs- und Stammesmythen indigener Völker auf den Regenbogen. Für die australischen Aborigenes beispielsweise ist die »Regenbogen-Schlange« die Mutter aller Clans und die Herrin der Traumzeit. Die Griechen der Antike sahen im Regenbogen den Gürtel der Göttin Iris, ihr Name ist bis heute der medizinische Fachausdruck für die Regenbogenhaut im Auge geblieben. In Südindien erklärt sich die Urbevölkerung ihre Herkunft vom Regenbogen nach einer großen Überschwemmung. Weltweit mehr als 300 solcher Sintflut-Sagen hat der deutsche Philologe Johannes Riem in den 1920er Jahren gefunden, in 21 davon wird der Regenbogen als göttliches Zeichen nach einer Flutkatastrophe beschrieben.

Als ewigen Pfad der Erleuchtung deuten ihrerseits fernöstliche Mystiker bis heute den Regenbogen. Viele glauben sogar, er könne spontan entstehen, wenn die Seele eines Heiligen die Erde verlässt. Die britisch-russische Autorin Irina Tweedie (»Wie Phönix aus der Asche«) will es mit eigenen Augen gesehen haben: Als der südindische Sufi-Meister Bhai Sahib 1986 starb, stand der Himmel angeblich minutenlang voller Regenbogen. Zahlreiche Augenzeugen berichten von einem ähnlichen Phänomen 1981, beim Tod des 16. Karmapa, eines der höchsten Würdenträger im tibetischen Buddhismus.

Alles nur Reste eines vorwissenschaftlichen Naturverständnisses? Oder eine parallele Wirklichkeit, zu der auch viele moderne Menschen Zugang finden? Beides ist möglich. Für die ersten Naturforscher jedenfalls existierte noch kein Widerspruch zwischen einem göttlichen Regenbogen-Spektakel und einem wissenschaftlich beschreibbaren Phänomen. Parallel zur kultischen Verehrung des Regenbogens begann schon in der Antike seine objektive Erforschung. In vielen kleinen Schritten kamen Naturforscher allmählich dahinter: Das Himmelsphänomen entsteht aus einem ganz besonderen Zusammenspiel von Sonnenlicht und Wasser.

Vor 2600 Jahren stellte der Grieche Aristoteles richtig fest: Die Größe des Regenbogens hängt vom Sonnenstand ab. Je höher die Sonne am Himmel steht, desto kleiner fällt er aus. Zu sehen ist er nur, wenn man die Sonne im Rücken und eine Regenwand vor sich hat. Erklären konnte Aristoteles sich diese Gesetzmäßigkeiten noch nicht. Er interpretierte den Regenbogen als raffinierte Lichtspiegelung auf dunklen Wolken.

Viele Generationen von Naturphilosophen nach ihm hielten an dieser Theorie fest. Bis der englische Mathematiker Roger Bacon 1205 als Erster den »Regenbogenwinkel« errechnete: Der Haupt-Regenbogen erscheint immer in einem Winkel von 42 Grad zur Sonne-Beobachter-Linie. Fast hundert Jahre später kam der deutsche Dominikanermönch Dietrich von Freiberg auf die Idee, eine Schusterkugel (das ist ein mit Wasser gefüllter Glaskolben) ins Licht zu halten – und er sah darin einen künstlichen Regenbogen. Das brachte ihn auf die Spur des Phänomens der Lichtbrechung: Tritt ein Lichtstrahl in ein Medium mit anderer Dichte als die der Luft ein, wird er gebremst und abgelenkt.

Dreihundert Jahre nach ihm berechneten unabhängig voneinander der Philosoph René Descartes und der niederländische Astronom Willebrord van Snell den »Strahlengang« – den Weg des Lichts durch ein transparentes Medium. Doch erst Isaac Newton gelang es um 1672, mit seinen berühmten Prisma-Experimenten ein zentrales Geheimnis des Regenbogens zu lüften – das Entstehen der Vielfarbigkeit.

So einfach wie genial ist Newtons Versuchsanordnung: Durch ein kleines Loch im geschlossenen Fensterladen lässt er einen Sonnenstrahl ins dunkle Studierzimmer fallen. In den Weg der Sonne stellt er ein Glasprisma – einen geometrischen Körper mit dreieckiger Grundfläche. Weil das Licht sowohl beim Eintritt ins Prisma als auch beim Austritt gebrochen wird, entsteht an der Zimmerwand das Lichtspektrum, ein künstlicher Regenbogen. Dann lässt Newton einen entscheidenden Schritt folgen: Hinter das erste Prisma installiert er eine Lichtbarriere mit einem Spalt, durch den er nur Licht einer bestimmten Farbe – etwa nur den roten oder den violetten Strahl – passieren lässt. Wird dieses nun in einem zweiten Prisma gebrochen, kommt nur wieder rotes beziehungsweise violettes Licht heraus.

Fazit des Wissenschaftlers: Nicht das Prisma oder die Wassertropfen fügen dem Licht im Regenbogen seine magischen Farben zu, wie alle Forscher bis dahin (inklusive Leonardo da Vinci) geglaubt hatten. Vielmehr wird das Licht durch das Glas oder das Wasser in seine normalerweise vermischten Bestandteile zerlegt. Diese Entdeckung vom Licht als einer »wilden Mischung aus Farben« (so der US-Evolutions- und Wissenschaftstheoretiker Richard Dawkins) ermöglichte später die Wellentheorie des Lichts und noch später die Quantentheorie mit ihrem Bild vom Licht als stetigen Photonenstrom.

Der göttliche Regenbogen – das Ergebnis einer Brechung und Aufspaltung des Lichts in Spektralfarben: Nicht allen Zeitgenossen Newtons und späteren Generationen gefiel dieses neue Wissen. Im Gegenteil. Vor allem Künstler und Literaten schmollten. Bei einem Atelierfest in London soll der Dichter John Keats 1817 sogar einen Fluch ausgestoßen haben: »Möge Newtons Andenken für immer verblassen – denn er hat die Poesie des Regenbogens zerstört!«

Wie man weiß, ist der böse Fluch wirkungslos geblieben. Newton gilt als einer der größten Wissenschaftler aller Zeiten. Vor allem aber: Was er und viele andere über den Regenbogen herausgefunden haben, hat eine Fülle weiterer »Wunder« und »poetischer« Phänomene eröffnet. In seinem Buch »Der entzauberte Regenbogen« schreibt Richard Dawkins: »Mit jeder Lösung eines Rätsels entdeckt man wieder neue Geheimnisse, die dann eine vielleicht noch größere Poesie bergen.«

Was in Newtons Studierstube noch relativ einfach aussah, ist in der Natur tatsächlich hoch kompliziert und bis heute nicht in allen Details erfasst. Denn beim »richtigen« Regenbogen bricht sich das Sonnenlicht nicht in einem einfachen, fest stehenden Prisma, sondern in Millionen wirbelnden, sanft fallenden oder im Gegenteil wild prasselnden Wassertropfen. Dabei verhalten sich die Strahlen übrigens so ökonomisch, als hätte ein Logistiker ihre Wege bestimmt – erstaunlicherweise wählen sie im Wassertropfen die jeweils für sie kürzeste Strecke. Woher sie das »wissen« und wie dieses »Sparsamkeitsprinzip« funktioniert, ist bis heute nicht geklärt.

Warum aber sehen wir keinen Regenbogen, wenn wir durch den Regen in die Sonne schauen – sondern immer nur an der gegenüberliegenden Seite des Himmels? Warum erscheint manchmal über dem ersten, dem Hauptregenbogen, ein zweiter? Das alles hat zu tun mit dem Hin und Her von Brechung und Spiegelung im Wassertropfen.

Vereinfacht ausgedrückt: Weil die Tropfen annähernd Kugelform besitzen, wirkt ihre rückwärtige Oberfläche wie ein Hohlspiegel. Beim Eintritt in den Tropfen, an der Grenze zwischen Luft und Wasser, brechen sich die Sonnenstrahlen ein erstes Mal und spalten sich in ihre verschiedenen Wellenlängen auf. Dann stoßen die aufgefächerten Farben auf die Rückwand und werden zurück und abwärts reflektiert. Es sind diese reflektierten, also die zurückgeworfenen Strahlen, die unsere Augen erreichen und den Regenbogen in den Himmel zeichnen. Würden wir dem Regen den Rücken zukehren und in die Sonne schauen, könnten wir sie nicht »empfangen«. Nur bei sehr guten Lichtverhältnissen, wenn die Sonne stark scheint, und der Himmel ziemlich dunkel ist, sehen wir über dem ersten Regenbogen einen zweiten. Er entsteht, weil die Lichtstrahlen im Inneren der Regentröpfchen zweimal reflektiert werden. Dass er deutlich blasser ist als der erste, hat einen einfachen Grund: Bei jeder Brechung und Reflexion geht Licht »verloren«.

Nur vier, höchstens fünf Farben sahen die Menschen früher im Regenbogen. Das afrikanische Volk der Dogon beschreibt ihn in seinen Legenden bis heute als »vierfarbigen Götterpfad«. Newton wusste es schon besser: Er identifizierte sieben Farben. Aber heute weiß man: Es sind viel mehr. Das Spektrum des weißen Lichts zeigt ebenso viele Nuancen, wie es Wellenlängen im Weiß gibt, also unendlich viele. Allerdings können wir die Farben jenseits von Rot und Violett nicht mehr sehen. Die Reihenfolge, in der die sichtbaren Farben erscheinen – Rot ist »außen« und Violett »innen« –, hängt mit den unterschiedlichen Wellenlängen zusammen: Blaues (kurzwelliges) Licht wird stärker gebrochen und abgelenkt als rotes (langwelliges). Beim Nebenregenbogen über dem Hauptbogen ist, durch die zweifache Brechung, die Farbenreihe dann für unser Auge »auf den Kopf« gestellt.

1849 entdeckte der britische Astronom und Mathematiker George Biddell Airy, dass die Farbigkeit von Regenbögen auch von der Größe der Regentropfen abhängt. Große Tropfen mit einem Durchmesser von mehr als einem Millimeter erzeugen ein besonders intensives Violett. Bei kleinen sind die Rot-Orange-Farben schwach ausgeprägt. Und Mini-Tröpfchen, kleiner als 0, 05 Millimeter, »schaffen« nur noch einen weißen Bogen – den seltenen Nebelbogen, der an besonders feuchten Herbsttagen aufleuchten kann. Aus einem ganz anderen Grund allerdings erscheinen uns die – ebenfalls sehr seltenen – Mond-Regenbögen nicht farbig, sondern fahl-weiß: Unsere Augen sind in der Nacht nicht auf Farbe eingestellt.

Seit Menschen im Flugzeug unterwegs sind, können sie mit etwas Glück aus der Luft ein weiteres Regenbogen-Geheimnis erblicken. Was normalerweise unseren Augen verborgen bleibt: Der Regenbogen ist in Wirklichkeit kein Bogen – sondern ein Kreis. Genauer gesagt: eine Abfolge bunter konzentrischer Kreise um den sogenannten Sonnengegenpunkt (das ist ein fiktiver Punkt, der entsteht, wenn man eine gedachte Linie zwischen Sonne und Beobachter verlängert.) Auf der Erde sehen wir nur die eine Hälfte, die andere Hälfte bleibt unter dem Horizont. Je niedriger die Sonne steht, desto näher befindet sich ihr Gegenpunkt am Horizont – und desto größer wird der Regenbogen.

Aber gibt es ihn überhaupt? Je tiefer die Wissenschaftler in seine Geheimnisse eingedrungen sind, desto klarer zeichnet sich ab: Der Regenbogen als eine feste Brücke am Himmel ist eine Illusion. Es gibt keinen Regenbogen, der an einer bestimmten Stelle entspringt und dort stehen bleibt, bis der Regen aufhört! Während wir seine scheinbar fixen bunten Streifen sehen, entsteht er in der Realität ständig neu – erschaffen von ständig nachfallenden »Populationen« von Regentropfen. »Fantastische Dauerhaftigkeit mitten im raschen Wandel des Regensturms – Ruhe ist die Tochter des Aufruhrs«, notiert verzückt der englische Dichter Samuel Coleridge im Tagebuch.

Vielleicht noch schwerer vorstellbar: Es gibt genau genommen niemals nur einen Regenbogen, sondern immer so viele, wie es Augen gibt, die gerade in den Regen blicken. Richard Dawkins: »Verschiedene Beobachter, die von unterschiedlichen Orten aus denselben Regenschauer betrachen, setzen sich jeweils aus einer anderen Kombination von Tropfen ihren eigenen Regenbogen zusammen.« Damit ist der sagenumwobenen Regenbogen ein wunderbares Beispiel für eine Erkenntnis aus der Gehirnforschung: Die Wirklichkeit gibt es immer nur im Plural!