Während es eine finnische Tradition ist, den Weihnachtsmann (und vielleicht ein paar Rentiere) an Bord einer Concorde zu besuchen, erfordert sein tatsächlicher Flug in der Heiligabendnacht viel Arbeit und viel Vorbereitung. Nach bestem Wissen über die Wissenschaft des Weihnachtsmanns geht er folgendermaßen vor. (ERIC CHRETIEN / GAMMA-RAPHO VIA GETTY IMAGES)

So kann der Weihnachtsmann Geschenke in einer Nacht in die ganze Welt bringen

Wie macht es der Weihnachtsmann mit 1,6 Milliarden Haushalten auf der Welt? Mit ein bisschen Weihnachtszauber… und viel Wissenschaft!

Wie macht der Weihnachtsmann das? In einer langen Nacht liefert ein kräftiger und älterer Mann, ausgestattet mit einem magischen Schlitten und acht fliegenden Rentieren, Spielzeuge an Kinder in jedem Haushalt auf der ganzen Welt.

Der einzige Haken? Sie müssen an ihn glauben.

Man muss sich fragen, ob dies physisch möglich sein könnte. Wenn er die richtige Technologie und Technik hätte, könnte der Weihnachtsmann dann tatsächlich alle diese Lieferungen ausführen? Bei einer Weltbevölkerung von mehr als 7 Milliarden Menschen ist es für den Weihnachtsmann eine härtere Aufgabe als je zuvor. Aber mit der Kraft der Wissenschaft - und vielleicht ein bisschen Weihnachtszauber - ist der Weihnachtsmann der Herausforderung mehr als gewachsen.

Laut der neuesten (2013) Pew-Studie zu diesem Thema „tun“ nur 31% der Haushalte so, als würden sie den Weihnachtsmann an Weihnachten besuchen. Oh, ihr kleinen Glaubens. (FLICKR-BENUTZER MATTI MATTILA (L); PEW-FORSCHUNGSZENTRUM (R))

Diesem Anspruch muss der Weihnachtsmann in Bezug auf die Anzahl der zu erreichenden Haushalte und die durchschnittliche Entfernung zwischen ihnen gerecht werden.

  • Laut Wikipedia und nach dem Bevölkerungswachstum seit dem Erhebungsdatum hochgerechnet, gibt es weltweit rund 1,6 Milliarden Haushalte.
  • Da die Erde über ungefähr 65 Millionen Quadratkilometer bewohnbares Land verfügt, beträgt die durchschnittliche Entfernung zwischen zwei Haushalten ungefähr 0,225 km.
  • Und zumindest in den Vereinigten Staaten wird der Weihnachtsmann vorgeben, 31% der Haushalte in einem bestimmten Jahr zu besuchen. (Tut so als würde ich mich über deine kaltherzige Skepsis lustig machen, Pew.)

Alles in allem hat der Weihnachtsmann die Aufgabe, Geschenke an rund 500 Millionen Haushalte auszuliefern, wobei der durchschnittliche Abstand auf 0,33 km steigt, wenn Sie die Häuser berücksichtigen, die der Weihnachtsmann nicht besuchen kann.

NORAD, das nordamerikanische Luft- und Raumfahrt-Verteidigungskommando, führt viele Aufgaben für den Luftverkehr auf dem nordamerikanischen Kontinent aus, einschließlich der Übernahme der Verantwortung für das Auftanken von Kämpfern, die sich Kampfübungen und -trainings (wie hier gezeigt) unterziehen, sowie die Verfolgung des Weihnachtsmanns, die sie jedes Jahr durchgeführt haben seit generationen uneingeschränkt. (KENN MANN / USAF / GETTY IMAGES)

Das bedeutet zwar eine Menge Besuche und eine Menge Reisen, aber der Weihnachtsmann hat nicht viel Zeit, um alles zu erledigen. Ab Sonnenuntergang am Heiligabend auf der einen Seite der internationalen Datumsgrenze (in Russland) und bis kurz vor Sonnenaufgang am Weihnachtstag auf der anderen Seite (in Alaska) hat der Weihnachtsmann zumindest den Vorteil, der Wintersonnenwende nahe zu sein gibt ihm etwas mehr Zeit in der nördlichen Hemisphäre.

Aufgrund der Zeitzonen, der internationalen Datumsgrenze und der unterschiedlichen Sonnenauf- und -untergangszeiten zwischen Orten und Breiten hat der Weihnachtsmann maximal 42 Stunden Zeit, um diese eine halbe Milliarde Haushalte zu erreichen. In dieser kurzen Zeit muss der Weihnachtsmann die folgenden Aufgaben erfüllen:

  • Reisen Sie zu jedem Haus, eine durchschnittliche Entfernung von 0,205 Meilen (0,33 Kilometer) vom vorherigen Haus,
  • seinen Schlitten verlassen und unentdeckt das Haus betreten,
  • liefern sie alle geschenke,
  • für ihn übrig gebliebene Snacks essen,
  • und dann das Haus unentdeckt lassen, den Schlitten besteigen und zum nächsten Haus gehen.
Der Weihnachtsmann lieferte Geschenke auf der ganzen Welt, und auch an unerwarteten Orten wurde von Sichtungen berichtet, beispielsweise im Haus des Weihnachtsmanns in der Altstadt von Jerusalem, Israel. (GETTY)

Die Vorstellung, dass eine Person alle diese Aufgaben in einem Zeitraum von 42 Stunden rund 500 Millionen Mal erledigen könnte, scheint eine gewaltige Herausforderung zu sein. (Tatsächlich können unzählige Eltern von Kindern, die jemals an den Weihnachtsmann geglaubt haben, Zeugnisse darüber abgeben, was für eine Herausforderung es auch für einen Haushalt darstellt!) Der Weihnachtsmann ist jedoch von der monumentalen Aufgabe, die ihm bevorsteht, unerschrocken.

Bei 500 Millionen Haushalten und 42 Stunden Zeit hat der Weihnachtsmann insgesamt nur 300 Mikrosekunden (0,0003 Sekunden) Zeit, um alles zu erledigen, was er pro Haushalt tun muss.

Hört sich das unmöglich an? Vielleicht für einen normalen Menschen mit konventioneller Technologie. Aber der Weihnachtsmann ist vielleicht der größte Wissenschaftler der Welt, wie ich kürzlich gegenüber Big Picture Science und dem SETI-Institut sagte. Und wenn Sie die Wissenschaft akzeptieren, sollten Sie auch an den Weihnachtsmann glauben. Werfen wir einen Blick auf die einzelnen Einwände, die Sie möglicherweise haben.

Viele populäre Darstellungen von Santa beinhalten nicht, dass er den von der Wissenschaft festgelegten optimalen Weg beschreitet, aber das sollte uns in keiner Weise zu dem Schluss führen, dass Santa den Job nicht erledigen kann. Tatsächlich sagt uns die Wissenschaft genau, wie er es schaffen würde! (FLICKR-BENUTZER LÄSST BOURNEMOUTH UND POOLE VERLASSEN)

1.) Es gibt keine Möglichkeit, dass der Weihnachtsmann so schnell zu jedem Haus fährt. Diese Geschwindigkeiten sind nicht so schlecht. Im Vergleich zu den Fahrzeugen, die wir entwickelt haben, sind die Geschwindigkeiten, die der Weihnachtsmann benötigt, nicht so schnell. Zumindest nicht im Vergleich zur Relativität und Lichtgeschwindigkeit. Um diese durchschnittliche Entfernung von 0,205 Meilen (0,33 km) von Haus zu Haus zu erreichen, muss der Weihnachtsmann bei einer angenommenen Zeit von 150 Mikrosekunden (das ist die Hälfte der Zeit, die ihm in jedem Haus zur Verfügung steht) nur etwa 1,367 Meilen pro Sekunde zurücklegen (2.200 km / s).

Sicher, das mag im Vergleich zu Ihrem typischen Schlitten oder sogar Ihrem typischen Auto, Zug oder Überschallflugzeug furchtbar schnell erscheinen. Dies ist jedoch weniger als 1% der Lichtgeschwindigkeit und weitaus langsamer als Partikel, die von radioaktiven Atomen, Partikelbeschleunigern oder sogar der Sonne emittiert werden.

Wenn Sie diese Rentiere richtig tanken, gibt es keinen Grund zu der Annahme, dass der Weihnachtsmann diese Haus-zu-Haus-Reise nicht in Rekordzeit schaffen kann.

Sicherlich wäre es für die meisten Menschen, mit einem offenen Cockpit mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten zu reisen, eine verheerende Angelegenheit, auch für den Weihnachtsmann. Aber mit den richtigen technologischen Fortschritten könnte es möglich sein, in einer einzigen, verrückten Nacht zu einer halben Milliarde Haushalten zu fliegen, ohne sich selbst zu verletzen. (WIKIMEDIA COMMONS USER GLOGGER)

2.) Ein offener Schlitten - und ein Weihnachtsmann in seinem Inneren - können die erzeugte Hitze oder Beschleunigung nicht ertragen. Erstens gibt es den Einwand der Hitze. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten könnten die Reibungskräfte der Atmosphäre allein eine Katastrophe sein. Das einzige, was wir kennen, das mit dieser Geschwindigkeit mit der Atmosphäre kollidiert, sind Meteore und Satelliten, die wieder in die Atmosphäre eintreten.

Der Weihnachtsmann müsste sich in der Größenordnung von ein paar Billionen Joule Wärme pro Sekunde der Reise auflösen, was eine enorme Menge ist. Ohne jeglichen Schutz könnte man erwarten, dass der Weihnachtsmann, der mit Meteorschauergeschwindigkeit durch die Atmosphäre fliegt, die Art und Weise verbrennt, wie ein Satellit beim Wiedereintritt.

Astronaut Bob Crippen mit der Gemini-B-Kapsel und dem stark vernarbten und beschädigten (aber intakten!) Hitzeschild. Es ist sehr schwierig, den Wiedereintritt in eine Atmosphäre mit einer Geschwindigkeit zu überstehen, die noch niedriger ist als die, die der Weihnachtsmann wahrscheinlich erleben würde, aber vielleicht gibt uns die Technologie auf Nordpolebene genau das, was wir brauchen. (NASA / KIM SHIFLETT)

Es gibt jedoch zwei Möglichkeiten:

  • Er könnte einen Hitzeschild haben, der sowohl das Rentier als auch sich selbst schützt und ihm erlaubt, frei zu reisen. Dies ist jedoch ein Problem, wenn wir über einen offenen Schlitten nachdenken, der den Fahrer per Definition nicht abschirmt. Aber die zweite Option könnte auch dies überwinden.
  • Er könnte ein so aerodynamisch fortschrittliches Fahrzeug haben, dass die Luft vor ihm größtenteils evakuiert wird und nur eine sanfte Brise zurückbleibt. Stellen Sie sicher, dass der Weihnachtsmann Sauerstoff zum Atmen hat und wir können loslegen.

Die Beschleunigungen sind etwas rauer, wohlgemerkt. Für die meisten Menschen ist es eine Katastrophe, sich in einer Zehntelsekunde von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu begeben. Sie würden durch die Beschleunigung ohnmächtig (oder noch schlimmer) werden. Vorausgesetzt, Sie erfahren nur 27 g Kraft, wobei 1 g die Erdbeschleunigung ist. Aber der Weihnachtsmann benötigt 1,5 Milliarden g, um seine durchschnittliche Geschwindigkeit von Haus zu Haus zu erreichen.

Selbst wenn wir erklären, dass der Großteil der Weltbevölkerung in städtischen Gebieten lebt, wäre die Beschleunigung und Verzögerung während der Fahrt von Dach zu Dach in diesen kurzen Zeitintervallen katastrophal.

Der Rekord für menschliche Ausdauer über kurze Zeiträume liegt bei 83 g, von Major John Beeding auf einem Raketenschlitten. Die Idee, dass Menschen diese unglaublichen Beschleunigungen / Verzögerungen ertragen könnten, wurde von John Stapp begründet, der seine Geräte in den 1940er und 1950er Jahren an sich selbst testete.

Aber der Weihnachtsmann ist nicht durch diese Zwänge zum Scheitern verurteilt. Er muss lediglich die richtige Problemumgehung implementieren. Alles, was er braucht, um diese Reise mit diesen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu überstehen, ist ein Weg, sein Blut normal durch seinen Körper fließen zu lassen. Ein Anzug mit ausreichendem Druck in Kombination mit einem biologischen Turbinensystem, das weitaus leistungsstärker als ein menschliches Herz ist, könnte dies problemlos tun.

Sicher, biologische Veränderung ist nicht das, woran Sie denken, wenn Sie an den Weihnachtsmann denken, aber das Glück von Kindern auf der ganzen Welt ist sicherlich eine kleine Organersatzoperation wert?

Der Astronaut Stephen K. Robinson, Missionsspezialist für STS-114, der an einer Fußstütze auf dem Canadarm2 der Internationalen Raumstation verankert ist, nimmt an der dritten Sitzung der Mission für extravehikuläre Aktivitäten (EVA) teil. Solch ein verankertes mechanisches Gerät könnte leicht an einem Schlitten für den Weihnachtsmann befestigt werden, aber die Physik bietet eine noch bessere Option. (NASA)

3.) Wie konnte der Weihnachtsmann so leise in all diese Häuser gelangen und niemals Fußspuren hinterlassen? Stealthy ist nicht genau das Bild, an das Sie denken, wenn Sie an einen übergewichtigen, älteren Mann denken, der in Stiefeln um die ganze Welt reist. Es mag verlockend sein, den Weihnachtsmann über ein mechanisches Rig zu platzieren - sei es durch einen Kamin, ein Fenster oder einen anderen Einstiegspunkt -, aber die Gesetze der Physik bieten eine noch bessere Option.

Im Quantenuniversum gibt es jedoch eine begrenzte Wahrscheinlichkeit, dass Sie nicht einfach einschlagen oder abprallen, wenn Sie sich auf einer Seite einer Barriere befinden und darauf stoßen. Stattdessen können Sie einfach auf die andere Seite durchtunneln. Es ist bekannt, dass dieses Phänomen des Quantentunnelns auftritt, und es sollte zu einer endlichen Wahrscheinlichkeit führen, dass selbst makroskopische Objekte dies tun, wenn auch mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit.

Wenn sich ein Quantenteilchen einer Barriere nähert, interagiert es am häufigsten mit dieser. Es besteht jedoch eine begrenzte Wahrscheinlichkeit, dass die Barriere nicht nur reflektiert, sondern durch sie getunnelt wird. Wenn der Weihnachtsmann diese Möglichkeit nutzen könnte, wäre dies eine sauberere, sicherere und bessere Option als ein Schornstein. (YUVALR / WIKIMEDIA COMMONS)

Konnte der Weihnachtsmann die Kontrolle über dieses Phänomen vollständig beherrschen? Es ist die eleganteste Lösung für ein schwieriges Problem und ermöglicht es dem Weihnachtsmann:

  • betreten sie irgendein haus nach belieben,
  • Bringen Sie alle Geschenke mit, die er wollte.
  • lass die Geschenke, die er wollte, wo immer er wollte,
  • und dann gehen Sie mit nur sich selbst, um zu seinem Schlitten zurückzukehren.

Da er der größte Wissenschaftler in der Geschichte der Menschheit ist, würde ich niemals gegen den Weihnachtsmann wetten.

Indem Sie einfach mit den Geschenken an den richtigen Orten ankommen, können Sie die Weihnachtsgeschenke so schnell und einfach ausliefern, wie wenn der Weihnachtsmann die Pakete, die er ins Haus gebracht hat, einfach loslässt. (GETTY)

4.) Wie konnte er die Geschenke so schnell ausliefern? Das Zustellen von Geschenken muss nicht lange dauern. Solange der Weihnachtsmann am richtigen Ort ankommt, muss er nur Folgendes tun, um diese Geschenke ordnungsgemäß auszuliefern: Lassen Sie sie los. Bringen Sie sie in einem winzigen, vernachlässigbaren Abstand über dem Boden direkt unter den Baum und lassen Sie sie einfach los.

Das ist es! Mit den gelieferten Geschenken geht es nach nur einer weiteren wichtigen Aufgabe zum nächsten Haus.

Die Snacks für den Weihnachtsmann mögen seine Gaumen erfreuen und seinen Körper mit Treibstoff versorgen, aber ihr wahrer Zweck sollte darin bestehen, die Rentiere zu tanken, die seinen fantastischen Weihnachtsflug antrieben. (PIXABAY-BENUTZER JILL111)

5.) Das Essen der Weihnachtssnacks. Das klappt eigentlich hervorragend. Sie sehen, es braucht eine enorme Menge an Energie - und damit Kraftstoff -, um einen Schlitten voller Geschenke für 500.000.000 Haushalte auf der ganzen Welt zu schleppen. Sicher, Sie können sich vorstellen, dass Ihr fliegendes Rentier bereits magisch ist, also könnten sie sich vielleicht einfach auf magische Weise darum kümmern. Aber seien wir stattdessen wissenschaftlich und denken Sie daran, dass alles der Energieeinsparung unterliegen muss, auch der Weihnachtsmann.

Also, wie viel Energie braucht es wirklich, um diese Geschenke in die ganze Welt zu tragen?

Vorausgesetzt, der Weihnachtsmann hat ungefähr 4,5 Pfund (2,0 Kilogramm) an Geschenken für jedes Haus, was rund eine Million Tonnen Geschenken auf seinem voll beladenen Schlitten entspricht. (Mit der Nacht wird es heller.) Dies ist etwa das 4.000-fache der Nutzlast des größten Flugzeugs der Erde: der Antonov An-255, mit der das Space Shuttle transportiert wird.

Das Flugzeug, mit dem die schwerste Nutzlast gehoben werden kann, ist die Antonov An-225 Mriya Cossack, die hier mit dem sowjetischen Raumschiff Buran auf dem Rücken am Boden gezogen wird. Dieses Flugzeug wird von einem Kraftstoff auf chemischer Basis angetrieben, der für seine Masse nur einen Wirkungsgrad von 0,001% aufweist. (GETTY)

Raketentreibstoff ist zwar teuer, aber auch ineffizient! Nur etwa 0,001% der Masse an Raketentreibstoff gehen in die Energie; Der Rest ist einfach verschwendet, totes Gewicht. Aber was wäre, wenn das Rentier des Weihnachtsmanns - die wahre Kraft hinter dem epischen Weihnachtsmannflug - diese Milch und Kekse über Einsteins E = mc² in Energie umwandeln könnte?

Es ist erstaunlich, dass die winzigen Mengen an Masse in einem einzigen kleinen Keks den Weihnachtsmann und alle Spielzeuge der Welt von einem Haus zum nächsten antreiben können, da E = mc² zu 100% effizient ist. Die Reste sind natürlich alle zum Vergnügen des Weihnachtsmanns.

Das berühmte

Sicher, es gibt viele fiktive Geschichten über den Weihnachtsmann, in denen er sich auf Technologie, Magie oder eine Menge Helfer verlässt, aber diese sind für die Zweifler da draußen gedacht, die die wahre Kraft der Weihnachtszauber nicht verstehen. Schließlich dürfen Sie niemals die wichtigste Lektion vergessen, die wir aus Apollo 8 gelernt haben, dem ersten Raumschiff mit Besatzung, das die erdnahe Umlaufbahn verlassen hat. Der folgende Austausch zwischen Ken Mattingly (bei der Missionskontrolle in Houston) und Jim Lovell (an Bord von Apollo 8) vor 50 Jahren:

089: 32: 50 Mattingly: Apollo 8, Houston. [Keine Antwort.]
089: 33: 38 Mattingly: Apollo 8, Houston.
089: 34: 16 Lovell: Houston, Apollo 8, vorbei.
089: 34: 19 Mattingly: Hallo, Apollo 8. Laut und deutlich.
089: 34: 25 Lovell: Roger. Bitte seien Sie informiert, dass es einen Weihnachtsmann gibt.
089: 34: 31 Mattingly: Das ist positiv. Sie sind die Besten, die es zu wissen gilt.

Bei aller Wissenschaft, die wir kennen, gibt es nur ein Rätsel, das wir über den Weihnachtsmann noch nicht beantworten können. Wann hat er Zeit, mit all den Geschenken auf die Toilette zu gehen?

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.