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

So kann der Weihnachtsmann in einer Nacht Geschenke für die ganze Welt liefern

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, Spielzeug an Kinder in jedem Haushalt auf der ganzen Welt.

Der einzige Haken? Sie müssen an ihn glauben.

Man muss sich fragen, ob dies physikalisch möglich sein könnte. Wenn er die richtige Technologie und Technik hätte, könnte der Weihnachtsmann tatsächlich all diese Lieferungen ausführen? Mit 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 werden nur 31% der Haushalte, die so tun, als würden sie den Weihnachtsmann besuchen, an Weihnachten ihren Haushalt besuchen. Oh, ihr kleinen Glaubens. (FLICKR-BENUTZER MATTI MATTILA (L); PEW-FORSCHUNGSZENTRUM (R))

Hier ist, was der Weihnachtsmann tun muss, in Bezug auf die Anzahl der Haushalte, die er erreichen muss, und die durchschnittliche Entfernung zwischen ihnen.

  • Laut Wikipedia und Extrapolation des Bevölkerungswachstums seit dem Datum der Umfrage gibt es weltweit ungefähr 1,6 Milliarden Haushalte.
  • Da die Erde über 65 Millionen Quadratkilometer bewohnbares Land verfügt, beträgt die durchschnittliche Entfernung zwischen zwei Haushalten ungefähr 0,225 km.
  • Und zumindest in den USA wird der Weihnachtsmann vorgeben, in einem bestimmten Jahr 31% der Haushalte zu besuchen. (Gibt vor? Ich verspotte deine kaltherzige Skepsis, Pew.)

Insgesamt ist der Weihnachtsmann dafür verantwortlich, rund 500 Millionen Haushalten Geschenke zu liefern. Der durchschnittliche Abstand beträgt 0,33 km, wenn Sie die Häuser berücksichtigen, die der Weihnachtsmann nicht besuchen kann.

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

Während dies zu einer Menge Besuche und einer sehr großen Entfernung zum Reisen führt, hat der Weihnachtsmann nicht viel Zeit, um alles zu erledigen. Ab Sonnenuntergang am Heiligabend auf der einen Seite der internationalen Datumsgrenze (in Russland) und kurz vor Sonnenaufgang am Weihnachtstag auf der anderen Seite (in Alaska) hat der Weihnachtsmann zumindest den Vorteil, kurz vor der Wintersonnenwende zu sein gibt ihm etwas mehr Zeit in der nördlichen Hemisphäre.

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

  • Fahren Sie zu jedem Haus, eine durchschnittliche Entfernung von 0,33 Kilometern vom vorherigen Haus.
  • Verlasse seinen Schlitten und betritt das Haus unentdeckt.
  • liefern alle Geschenke,
  • essen Sie alle Snacks, die für ihn übrig sind,
  • und dann das Haus unentdeckt lassen, den Schlitten besteigen und zum nächsten Haus gehen.
Der Weihnachtsmann lieferte Geschenke auf der ganzen Welt, und Sichtungen wurden sogar an unerwarteten Orten gemeldet, beispielsweise im Haus des Weihnachtsmanns in der Altstadt von Jerusalem, Israel. (GETTY)

Die Idee, dass eine Person all diese Aufgaben in 42 Stunden etwa 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 geben, was für eine Herausforderung dies auch für einen Haushalt ist!) Aber der Weihnachtsmann ist von der monumentalen Aufgabe vor ihm nicht entmutigt.

Mit 500 Millionen zu besuchenden Haushalten und 42 Stunden Zeit bedeutet dies, dass der Weihnachtsmann insgesamt nur 300 Mikrosekunden (0,0003 Sekunden) hat, um alles zu erreichen, was er pro Haushalt erreichen muss.

Sound unmöglich? Vielleicht für einen normalen Menschen mit konventioneller Technologie, klar. 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 Einwände, die Sie möglicherweise haben.

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

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 entworfen haben, sind die Geschwindigkeiten, die der Weihnachtsmann benötigt, nicht so schnell. Zumindest nicht im Vergleich zur Relativitätstheorie und Lichtgeschwindigkeit. Um diese durchschnittliche Entfernung von 0,33 km von Haus zu Haus zu erreichen, muss der Weihnachtsmann bei einer Zeit von 150 Mikrosekunden (was der Hälfte der Gesamtzeit entspricht, die er in jedem Haus benötigt) nur mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.367 Meilen pro Sekunde fahren (2.200 km / s).

Sicher, das scheint im Vergleich zu einem typischen Schlitten oder sogar einem typischen Auto, Zug oder Überschallflugzeug furchtbar schnell zu sein. Aber das ist weniger als 1% der Lichtgeschwindigkeit und weitaus langsamer als Teilchen, die von radioaktiven Atomen, Teilchenbeschleunigern oder sogar der Sonne emittiert werden.

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

Sicherlich wäre das Reisen mit unglaublich hohen Geschwindigkeiten mit offenem Cockpit für die meisten Menschen, einschließlich des Weihnachtsmanns, eine verheerende Angelegenheit. 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.) Es gibt keine Möglichkeit, dass ein offener Schlitten - und ein Weihnachtsmann im Inneren - mit der erzeugten Hitze oder Beschleunigung umgehen kann. Erstens gibt es den Einwand der Hitze. Bei diesen hohen Geschwindigkeiten könnten die Reibungskräfte der Atmosphäre allein eine Katastrophe sein. Das einzige, was uns bekannt ist, das mit dieser Geschwindigkeit mit der Atmosphäre kollidiert, sind Meteore und Satelliten, die wieder in die Atmosphäre eintreten.

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

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 überleben, die noch niedriger ist als die, auf die der Weihnachtsmann wahrscheinlich stoßen würde, aber vielleicht gibt uns die Technologie auf Nordpol-Ebene genau das, was wir brauchen. (NASA / KIM SHIFLETT)

Es gibt jedoch zwei Auswege:

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

Die Beschleunigungen sind wohlgemerkt etwas rauer. In einer Zehntelsekunde von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu kommen, ist für die meisten Menschen eine Katastrophe. Sie würden von der Beschleunigung ohnmächtig werden (oder schlimmer noch). Dies setzt voraus, dass Sie nur 27 g Kraft erfahren, wobei 1 g die Erdbeschleunigung ist. Aber der Weihnachtsmann benötigt 1,5 Milliarden g, um nur seine Durchschnittsgeschwindigkeit von Haus zu Haus zu erreichen.

Selbst wenn wir berücksichtigen, dass sich der größte Teil der Weltbevölkerung auf städtische Gebiete konzentriert, wäre die Beschleunigung und Verzögerung auf dem Weg von Dach zu Dach in diesen kurzen Zeitintervallen katastrophal.

Der Rekord für menschliche Ausdauer in kurzen Zeiten liegt bei 83 g, von Major John Beeding auf einem Raketenschlitten. Die Idee, dass Menschen diese unglaublichen Beschleunigungen / Verzögerungen aufnehmen können, wurde von John Stapp entwickelt, der seine Geräte in den 1940er und 1950er Jahren an sich selbst testete.

Aber der Weihnachtsmann ist durch diese Einschränkungen nicht zum Scheitern verurteilt. Er muss lediglich die richtige Problemumgehung implementieren. Alles, was er braucht, um diese Reise mit diesen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu überleben, ist ein Weg, um sein Blut normal durch seinen Körper fließen zu lassen. Ein ausreichend unter Druck stehender Anzug in Kombination mit einem biologischen Turbinensystem, das weitaus leistungsfähiger 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, STS-114-Missionsspezialist, der an einer Fußstütze auf dem Canadarm2 der Internationalen Raumstation verankert ist, nimmt an der dritten Sitzung der Mission für extravehikuläre Aktivitäten (EVA) der Mission 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 eindringen und niemals Fußspuren hinterlassen? Stealthy ist nicht genau das Bild, an das Sie denken, wenn Sie an einen übergewichtigen, älteren Mann denken, der um die ganze Welt reist und Stiefel trägt. Es mag verlockend sein, den Weihnachtsmann über ein mechanisches Gerät hinein zu bringen - sei es durch einen Schornstein, ein Fenster oder einen anderen Zugangspunkt -, aber die Gesetze der Physik bieten eine noch bessere Option.

Im Quantenuniversum besteht jedoch eine endliche Wahrscheinlichkeit, dass Sie nicht einfach hineinspringen oder abprallen, wenn Sie sich auf einer Seite einer Barriere befinden und darauf stoßen. Stattdessen können Sie einfach auf die andere Seite tunneln. 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 ihr. Es besteht jedoch eine begrenzte Wahrscheinlichkeit, dass die Barriere nicht nur reflektiert, sondern auch durch die Barriere getunnelt wird. Wenn der Weihnachtsmann diese Möglichkeit nutzen könnte, wäre dies eine sauberere, sicherere und überlegene Option, um einen Schornstein hinunterzugehen. (YUVALR / WIKIMEDIA GEMEINSAM)

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

  • betritt jedes Haus nach Belieben,
  • Bringen Sie alle Geschenke mit, die er wollte.
  • Lassen Sie alle Geschenke, die er wollte, wo immer er wollte.
  • und dann mit nur sich selbst gehen, um zu seinem Schlitten zurückzukehren.

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

Wenn Sie einfach mit den Geschenken an den richtigen Orten ankommen, kann die Lieferung von Weihnachtsgeschenken so schnell und einfach sein, wie wenn der Weihnachtsmann die Pakete, die er ins Haus gebracht hat, einfach loslässt. (GETTY)

4.) Wie konnte er die Geschenke so schnell liefern? Das Ausliefern von Geschenken muss nicht viel Zeit in Anspruch nehmen. Solange der Weihnachtsmann am richtigen Ort ankommt, muss er nur Folgendes tun, um diese Geschenke richtig zu liefern: Lass sie los. Bringen Sie sie in einem winzigen, vernachlässigbaren Abstand über dem Boden direkt unter dem Baum herein 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, die für den Weihnachtsmann übrig bleiben, mögen seine Geschmacksknospen erfreuen und seinen Körper mit Treibstoff versorgen, aber ihr wahrer Zweck sollte darin bestehen, das Rentier zu tanken, das seinen fantastischen Weihnachtsflug antreibt. (PIXABAY USER JILL111)

5.) Das Essen der Weihnachtssnacks. Das klappt tatsächlich hervorragend. Sie sehen, es braucht eine enorme Menge an Energie - und damit Treibstoff -, um einen Schlitten voller Geschenke für 500.000.000 Haushalte auf der ganzen Welt zu schleppen. Sicher, Sie können sich vorstellen, dass Ihre fliegenden Rentiere bereits magisch sind, also könnten sie sich vielleicht auf magische Weise darum kümmern. Aber lassen Sie uns stattdessen wissenschaftlich sein und daran denken, dass alles der Energieeinsparung gehorchen muss, auch der Weihnachtsmann.

Wie viel Energie braucht es wirklich, um diese Geschenke auf der ganzen Welt zu tragen?

Angenommen, der Weihnachtsmann hat ungefähr 2,0 Kilogramm Geschenke an jedes Haus zu liefern, was ungefähr eine Million Tonnen Geschenke auf seinem voll beladenen Schlitten ergibt. (Mit der Nacht wird es leichter.) Dies ist ungefähr das 4.000-fache der Nutzlastkapazität des größten Flugzeugs der Erde: der Antonov An-255, mit der das Space Shuttle transportiert wird.

Das Flugzeug, das die schwerste Nutzlast heben kann, ist die Antonov An-225 Mriya Cossack, die hier mit dem sowjetischen Buran-Space Shuttle auf dem Rücken am Boden abgeschleppt wird. Dieses Flugzeug wird von einem Treibstoff auf chemischer Basis angetrieben, dessen Masse nur 0,001% effizient ist. (GETTY)

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

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

Das berühmte „Earthrise“ -Foto, das 1968 von der Apollo 8-Besatzung aufgenommen wurde. Dies war die erste Mission mit Besatzung, die die erdnahe Umlaufbahn verließ, und das erste Mal, dass ein Astronaut eine Sichtung des Weihnachtsmanns meldete. (NASA)

Sicher, es gibt viele fiktive Erzählungen der Santa-Geschichte, in denen er sich auf Technologie, Magie oder eine Menge Helfer verlässt, aber diese sind für die Zweifler da draußen, die die wahre Kraft der Weihnachtsmagie 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 beachten Sie, dass es einen Weihnachtsmann gibt. 089: 34: 31 Mattingly: Das ist positiv. Du bist der Beste, den du kennst.

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

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