Definition

Als Schatten im Sinn der Physik bezeichnet man den weniger beleuchtete Raum oder Bereich hinter einem undurchsichtigen oder nicht vollkommen durchsichtigen Körper, der sich im Strahlengang einer Lichtquelle befindet^[9]. Dabei kann sich der Farbeindruck ändern^[1], eine völlige Finsternis entstehen^[4] oder auch nur eine Abdunkelung^[3].

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Eine Kerze und ihre Flamme werfen beide eine Schatten auf die Wand. Bei einer allgemeinen Definition gilt auch der Flammenschatten als Schatten bezeichnet. © Paolo Neo ☛

Viele Definitionen von Schatten gehen von einem lichtundurchlässigen Körper aus, der das Licht einer Lichtquelle abschirmt^[2]^[3]^[4]^[5]^[6], während andere Definitionen auch lichtdurchlässige Körper erlauben^[9]. Allen Definitionen gemeinsam ist, dass von einer Lichtquelle ausgehendes Licht durch ein Objekt oder Materie in einer Richtung behindert wird. Im Schattenbereich kommt dann weniger Licht an, als ohne Abdunkelung theoretisch möglich wäre.

MERKSATZ:

1.0 Ein Schatten ist ein Bereich verminderter oder fehlender Helligkeit, verursacht durch Materie, die das Licht an seiner Eindringung in einen Bereich hindert.

Die allgemeine Definition von einem abgedunkelten aber nicht leichtfreiem Bereich erlaubt es etwa auch, vom Schatten einer lichtdurchlässigen grünen Flasche auf einem Tisch oder sogar vom Schatten einer Kerzenflamme im Weg eines sehr hellen Lichtstrahlen zu sprechen.

Schattengrenzen sind nie perfekt scharf

Die Grenzen zwischen den hellen und dunklen Bereichen erscheinen oft scharf begrenzt^[8], zeigen bei näherem Hinsehen aber immer einen unscharfen Übergang. der Grund dafür ist die Beugung^[10].

MERKSATZ:

2.0 Die Grenzen zwischen hell und dunkel sind nie perfekt scharf. Es gibt dafür mindestens zwei mögliche Ursachen.

Strahlenoptik

Der sogenannten Strahlenoptik^[11] zufolge könnte es theoretisch scharfe Grenzen zwischen Licht und Schatten geben. Entweder müsste es dazu eine perfekt Punktlichtquelle geben. Oder, alternativ, müssten alle Lichtstrahlen zueinander streng parallal sein. Beides ist in der Wirklichkeite eher nicht gegeben.^[14] Siehe dazu beispielhaft den Artikel zum 👉 Sonnenstrahlen-Paradoxon

Wellenoptik

Doch selbst die Strahlenoptik an sich gilt nur als Modell und hat klare Grenzen. Die Strahlenoptik ist nur eine modellhafte Annäherung an die Wirklichkeit, kein Abbild der Wirklichkeit selbst. Die wirklichen Effekte werden eher durch mit der Idee von Licht als etwas Wellenartigem erfasst^[12]. Und wenn Licht wellenartige Eigenschaften hat, dann kann es damit auch um Hindernisse herum wandern. Tatsächlich waren im Sinne der Strahlenoptik "falsche" aber echte Schatten ein früher Anlass, Licht als eine Welle zu denken.^[15] Siehe dazu auch den Artikel zur 👉 Wellenoptik

Schatten können bunt erscheinen

Schatten können farbig sein^[1]. Mindestens zwei Anordnungen können zu farbigen Schatten führen. Zum ersten erlaubt die Definition oben, dass ein Schatten durch ein lichtdurchlässiges Objekt erzeugt wird, etwa eine bunte Glasscheibe. Damit ist auch der Schatten gefärbt.

MERKSATZ:

3.0 Verschiedene Gründe können zu farbigen Schatten führen.

Ein weiter Grund ist psychologischer Natur. Ein an sich gräulich abgedunkelter Bereich kann dadurch farbig erscheeinen, dass der Kopf selbst eine nicht vorhandene Komplementärfarbe ergänzen will^[13].

Berechnung der Form von Schatten

Innerhalb der Mathematik werden Formen und Größen von Schatten in den Teilgebieten Projektive Geometrie und Vektorrechnung behandelt. Das entsprechende Stichwort ist oft 👉 Projektion

Arten von Schatten

Der Schatten eines Körpers auf sich selbst 👉 Eigenschatten

Ein Körper wirft woanders hin einen 👉 Schlagschatten

Zwei Lichtquellen erzeugen einen 👉 Doppelschatten

Der dunkelste, innere Schatten 👉 Umbra

Ein Übergangsbereich 👉 Penumbra

Quantenphysik 👉 Beugungsschatten

Quaestiones

1) Der Wellenoptik zufolge, etwa im Sinne des Huygensschen Prinzips angewandt, müssten sich Wellen in jeden Bereich hinter einem Objekt ausdehnen und es dürfte keine vollständige Dunkelheit geben. Ist das so?^[10]

Fußnoten

[1] 1774, Schatten als Bereich veränderter Farbeffekte: " Wir verstehen nämlich die Stellen eines erleuchteten Körpers darunter, wo das Licht so schwach ist, daß die Art der auf denselben liegenden Farben, nicht mehr bestimmt ist, sondern in eine andere Farbe übergeht, wo z. E. das Schwefelgelbe, wegen Mangel des Lichtes nicht mehr schwefelgelb ist, wo das Meergrün aufhört meergrün zu seyn; wo das Weiße aufhört weiß zu seyn." In: Sulzer: Allgemeine Theorie der Schönen Künste, Band 2. Leipzig 1774. Online: http://www.zeno.org/nid/20011449020

[2] 1841, Schatten als lichtfreier Bereich: "Schatten nennt man den dunkeln Fleck, welcher überall da auftritt, wo das Licht von einem undurchsichtigen Körper hinzufallen abgehalten wird" In: Brockhaus Bilder-Conversations-Lexikon, Band 4. Leipzig 1841., S. 61-62. Online: http://www.zeno.org/nid/20000862088

[3] 1857, Schatten als lichtärmerer Bereich: "Schatten nennt man in der Physik den in geringerem oder höherem Grade stattfindenden Mangel an Licht in einem Raume, welcher dadurch entsteht, daß ein undurchsichtiger Körper die Lichtstrahlen eines leuchtenden Körpers von diesem Raume ganz oder theilweise abhält (Kern-S. u. Halb-S.). Der undurchsichtige Körper wirst daher den S. immer in der Richtung, welche dem leuchtenden Körper entgegengesetzt ist u. der S. ändert seine Richtung je nach der Aenderung in der Stellung des leuchtenden und undurchsichtigen Körpers zu einander, worauf die Gnomonik (s. d.) beruht." In: Herders Conversations-Lexikon. Freiburg im Breisgau 1857, Band 5, S. 65-66. Online: http://www.zeno.org/nid/20003505480

[4] 1862, Schatten als Finsternis: "Schatten (lat. Umbra), 1) Raum, in welchen die von einem leuchtenden Punkte od. Körper ausgehenden Lichtstrahlen sich nicht verbreiten können, nachdem sie vorher auf einen undurchsichtigen Körper gefallen sind. Wird dieser Raum nicht durch Licht aus anderer Quelle erleuchtet, so zeichnet er sich vor dem übrigen Raume durch Finsterniß aus, u. an diesem Gegensatz allein erkennt man ihn, weil er an sich nichts als ein Mangel an Licht ist." Und so weiter noch sehr ausführlich zur Physik. In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 15. Altenburg 1862, S. 97-98. Online: http://www.zeno.org/nid/20010833161

[5] 1904, Schatten als lichtärmerer Bereich: "Schatten. Wenn Licht einer Lichtquelle auf absorbierende oder reflektierende Körper trifft, so entsteht hinter diesen ein lichtärmeres Gebiet, der Schattenraum. Auf einer den Schattenraum durchschneidenden lichtauffangenden Fläche, dem »Schirm«, entsteht der Schatten des Körpers. Die Schattenumrisse entsprechen der geradlinigen Fortpflanzung des Lichts in von der Lichtquelle ausgehenden Strahlen […]" Verfasst von A. Schmidt. In: Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 7 Stuttgart, Leipzig 1909., S. 598-599. Online: http://www.zeno.org/nid/20006119182

[6] 1905, Schatten als Dunkelheit: "Schatten, der dunkle Raum hinter einem von einer Lichtquelle beleuchteten undurchsichtigen Körper, in den dieser die geradlinig sich fortpflanzenden Lichtstrahlen zu dringen verhindert." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 17. Leipzig 1909, S. 703-704. Online: http://www.zeno.org/nid/20007413793

[7] 1905, Schatten als Seele der Toten: " Schatten, nach der Vorstellung der Alten die aus dem Leben geschiedenen Seelen, deren Aufenthalt man Schattenreich nennt. Auch die Ägypter glaubten an S. als die leichte Hülle der Seelen, die sichtbar, doch unberührbar über die Erde gleiten, um die Gaben der Verwandten zu empfangen und dann wieder in das Grab zum Körper zurückzukehren. Vgl. Rohde, Psyche (3. Aufl., Tübing. 1903, 2 Bde.)." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 17. Leipzig 1909, S. 704. Siehe auch 👉 Seelenvogel Ba

[8] 2001, Schatten als lichtfreier Bereich: "Schatten, Bereich auf einem Schirm (auf der Wand, dem Boden) hinter einem Gegenstand, auf den von einer Lichtquelle kein Licht fällt. Der Schattenraum hinter einem von einer (nahezu) punktförmigen Lichtquelle beleuchteten Gegenstand ist scharf begrenzt, entsprechend sein Schatten auf dem Schirm." Kurz darauf heißt es, dass die Grenze doch nicht scharf ist: "Bei genauer Beobachtung zeigt sich, daß der Schatten, den eine punktförmige Lichtquelle ergibt, durch einen Übergang mit hellen und dunklen Streifen vom hellen Bereich getrennt ist, der durch Beugung entsteht." In: Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 15. März 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/schatten/12830

[9] Schatten als mindestens teilweise abgedunkelter Bereich: "Der Schatten ist der gar nicht oder weniger beleuchtete Raum (Bereich) hinter einem undurchsichtigen oder nicht vollkommen durchsichtigen Körper, der sich im Strahlengang einer Lichtquelle befindet" Sinngemäß nach: Karl Mütze (Hrsg.): ABC der Optik. Stichwort: Schatten. F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1961, S. 763.

[10] Schatten und Beugungsmuster können fließend ineinander übergehen: "We experimentally demonstrate and theoretically predict a new and unprecedented optical carpet that includes all the geometric shadow and far-field and near-field diffraction patterns at the transverse plane in the diffraction from a radial grating illuminated by a plane wavefront." In: Rasouli, Saifollah & Khazaei, ali.mohammad & Hebri, Davud. (2018). Talbot carpet at the transverse plane produced in the diffraction of plane wave from amplitude radial gratings. Journal of the Optical Society of America A. 35. 55. 10.1364/JOSAA.35.000055.

[11] Bei der Strahlenoptik geht man davon aus, dass sich Licht nur in perfekt geraden Linien ausbreitet. Siehe auch 👉 Strahlenoptik

[12] Die Wellenoptik erklärt den unscharfen Übergang von Licht zu Schatten. Siehe mehr unter 👉 Wellenoptik

[13] Ein Messgerät würde kein farbiges Licht festellten, wo ein menschlicher Betrachter deutlich einen Farbeffekt sieht. Siehe dazu 👉 Goethes Farbschattenversuch

[14] Dass als real gedachte Strahlen aus geometrischen Gründen oft nicht streng paralllel gedacht werden dürfen, wird näher betrachtet im Artikel zum Sonnenstrahlenparadoxon (externer Link)

[15] Welleneigenschaften von Licht vermutete schon der mittelalterliche Philosoph Roger Bacon (1214 bis 1294). Im Zusammenhang mit einer sogenannten Camera obscura hatte er bemerkt, dass das Licht der Sonne nicht genau die Umrisse eines Loches nachzeichnet, durch das alleine es auf einen Bildschirm gelangt. Dieser Aspekt ist näher betrachtet im Artikel zur 👉 Camera obscura