本文目录
圣诞老人背后隐藏的科学是什么
在我们工作中面临的所有挑战中，也许没有人比那个身穿红色衣服的人：圣诞老人更难。在一个漫长的夜晚中，一个健硕而年迈的老人，只装备了一只被八只驯鹿拉着神奇的雪橇，设法向世界各地的儿童运送玩具。您所要做的就是相信他，圣诞节的愿望就可以实现。
圣诞老人在世界各地孩子送礼物
但这怎么可能呢？随着人口的增长以及相信圣诞老人的儿童人数的增加，挑战似乎越来越大。然而，凭借科学的力量，圣诞老人在这项年复一年的工作中持续取得的成功向我们表明，他一定已经解决了五个现代科学技术仍然无法解决的难题。如下是圣诞老人的科学。
在圣诞节，您是否想过圣诞老人摆在他面前的任务多么艰巨？全世界的人口已经更新为今天的74亿，我们可以估计全世界大约有16亿家庭。在这些家庭中，估计有31％的家庭相信圣诞老人将在圣诞节前的某个晚上访问他们的家：总共约有5亿个家庭。
- 图注：根据PEW关于这个主题的最新（2013年）调查，有31%的家庭相信圣诞老人会在圣诞节拜访他们的家庭。
这些家庭分布在地球上整个可居住的陆地表面，面积约为6500万平方公里。拥有5亿户家庭，他们之间的平均间隔约为0.33公里，圣诞老人在俄罗斯平安夜的日落到阿拉斯加圣诞节的日出之间，总共需要大约42个小时的工作时间。
- 图注：北美航空防务司令部 （NORAD）负责北美大陆的空中交通 ，包括负责为正在作战演习和训练的战斗机加油（如图所示）以及跟踪圣诞老人，多年来，他们每年都会这样做。
在短短42个小时内，有5亿个家庭受到访问，圣诞老人需要完成太多的工作。至少，他必须：
- 在不浪费太多时间的情况下从前一所房子移到下一所房子，
- 停放雪橇并离开，不被发现进入家庭，
- 将所有必要的礼物送到那所房子，吃剩下的零食，
- 然后不被发现就离开房屋，重新进入雪橇，然后重新开始整个过程。
如果我们将全部42个小时分配给他来完成此任务，那么对于每个家庭，他最多只能在这些任务的总和上花费300微秒（或0.0003秒）。至少对于具有常规技术的正常人而言，这似乎是不可能的。
但是，如果圣诞老人真的是世界上最伟大的科学家，那么一切都可能落实到位。以下是他明确克服的五个挑战，并猜测如何应对。
- 图注：许多流行的圣诞老人描述并不涉及他遵循科学确定的最佳路径，但这绝不应该导致我们得出结论，圣诞老人不能完成工作。事实上，科学告诉我们他到底是怎么实现的！
1.）旅行。
让我们给圣诞老人带来疑问的可能性，并假设他在圣诞节探险中花费了一半的时间从一所房子转移到另一所房子：每所房子150微秒。要在极短的时间内行驶0.33公里（0.205英里）的距离，这意味着圣诞老人需要以2200公里/秒的速度行驶。甚至还不是最高速度：这只是平均速度！
当然，这已经非常快了：大约6400马赫，甚至比任何雪橇、汽车、火车、超音速飞机甚至任何人类的航天器都要快。但是，即使这个惊人的速度也不到光速的1％，并且比我们从核反应，粒子加速器或太阳中看到的粒子要慢得多。
只要圣诞老人拥有适当的燃料和足够的能量，这绝对是可以实现的。当然，这会导致下一个问题。
- 图注：当然，在开放驾驶舱以令人难以置信的大速度旅行对大多数人来说将是一个毁灭性的命题，包括圣诞老人在内。但是，随着正确的技术进步的应用，在一个疯狂的夜晚，在不伤害自己的情况下，有可能飞到5亿个家庭。
2.）承受热量和加速度。
一方面，无论他的雪橇是开放式驾驶舱还是封闭式驾驶舱，圣诞老人都必须与极高的阻力作斗争，这意味着要散发大量的热量。我们在大气层中经历过的唯一相对较大的速度是流星和重新进入地球地球的卫星，它们通常表现不佳。
但是，放置在驯鹿前面而不只是雪橇上的足够坚固的隔热罩可以消散与大气高速碰撞产生的所有热量：每秒约数万亿焦耳。 如果圣诞老人认为绝对必要的是在雪橇前保持视野开阔，则通过某种真空泵将驯鹿前的大部分空气抽空，这将是他获得成功的第二种选择。
- 图注：宇航员鲍勃·克里彭带着双子座B舱和严重伤痕累累隔热罩，以比圣诞老人低很多的速度重返可谓是九死一生，但也许北极技术将给我们提供我们所需要的。
但是，即使我们可以将空气阻力问题作为一个非要件，加速度仍然会带来严重的麻烦。对于大多数人来说，大约0.1秒从0加速到100 kph的速度行驶是一个灾难，我们会在如此之大的加速度中昏过去。如果1g是地球表面的重力加速度，则本例中0到100kph的度将导致27g的加速度。但是圣诞老人要达到他的平均的挨家挨户旅行速度，就需要15亿g。
约翰·比丁少校保持着人类在很短时间内的加速记录，他在1954年用火箭“雪橇”达到了83 gs。但是，要忍受这种加速度的方法并不一定需要将圣诞老人变成机器人，只需让他的血液正常流过就是身体。信不信由你，有足够的压力，加上比人的心脏更有力量的涡轮/泵系统，会让他保持清醒通过这一切。
当您想到圣诞老人时，您可能不会考虑生物改造，但是，全世界的儿童的幸福感确实值得进行器官置换手术。
- 图注：当量子粒子接近势垒时，它将频繁与它相互作用。但是，有一个有限的概率，不仅反射出势垒，而且穿过势垒。如果圣诞老人能够利用这种可能性，这将是一个更清洁，更安全，优越的选择，走下烟囱。
3.）进入每个房屋。
攀爬几百万个烟囱，其中有许多在熊熊的烈火中-除了数百万没有烟囱的房屋之外-显然是遥远过去的民间传说。机械钻机也带来了许多障碍，我们绝对不希望诉诸“圣诞节魔术”来解释圣诞老人的滑稽动作。否，也就是说，当科学为我们提供合理的选择时。
在量子宇宙中，存在一个有限的可能性，即只要任何质量碰到有限厚度的障碍，它都可以隧穿到另一侧，而不是撞到另一侧或从其弹起。这种现象称为量子隧道效应，已知会发生，并且可以计算出其概率。如果圣诞老人掌握了量子隧道的控制，他可以轻松地：
- 随意进入房屋
- 把他需要的东西带进去
- 完成他的圣诞老人式任务
- 然后回到他的雪橇。
当涉及科学时，请不要与圣诞老人打赌。
- 图注：简单地带着礼物到达正确的地点，送圣诞礼物可能和圣诞老人一样简单快捷，只需放下他带进家里的包裹。无需烟囱、壁炉或开窗。
4.）送礼物怎么样？
这一步真的不应该花费很多时间。只要圣诞老人将隧道正确地定位到正确的位置（例如，通过树木或精心悬挂的长袜），这实际上就是一个瞬时过程。如果您将自己的礼物放在合适的位置，那么您要做的就是：放开它们。
理想情况下，圣诞老人会将包裹好的礼物带到地面上方，树的正下方或下方，可以忽略不计的微小距离，然后释放它们。这是每5亿个家庭中每个圣诞老人需要完成的两项主要任务之一：送礼物。只要他能安全，及时地安全到达家中，毫无问题地进入并放下礼物，他几乎就可以离开了。仅剩下一项任务要做，也许这是所有任务中最重要的一项。
- 图注：留给圣诞老人的零食可能会取悦他的味蕾，并为他的身体提供燃料，但他们的真正目的应该是为驯鹿加油，为他梦幻般的圣诞飞行提供动力。
5.）吃圣诞节点心。
如果没有这种能源，圣诞老人和他的驯鹿团队可能没有必要的燃料将其推广到全球所有五亿家庭。他背负着沉重的重量-数百万吨的礼物-使所有这些孩子开心。 在完成交付之前，他必须将重量拖超过1亿公里。
宇宙中的所有事物，包括圣诞老人和他的飞行驯鹿，都必须遵守能量守恒原则。即使我们假设每个家庭要携带的礼物只有2.0千克（4.5磅），这仍然是地球上最大飞机安东诺夫An-255的有效载荷能力的4,000倍，安东诺夫An-255号，多年来用于将航天飞机从着陆地点运送到最终目的地。
- 图注：能够提升最重的有效载荷的飞机是安东诺夫An-255MriyaCossack，图中所示的是苏联布兰号航天飞机一起被拖到地面上的飞机。这架飞机由化学燃料驱动，其质量效率仅为0.001%。
但是，圣诞老人（和他的飞行动力驯鹿）不是将火箭燃料仅将其质量的0.0001％转换为能量，而是可以利用爱因斯坦最著名的方程式以100％的效率将质量转换为
