Mentre è una tradizione finlandese visitare Babbo Natale (e forse qualche renna) a bordo di un Concorde, il suo volo reale nella notte della vigilia di Natale richiede molto lavoro e molta preparazione. Per quanto ne sappiamo della scienza di Babbo Natale, ecco come lo fa. (ERIC CHRETIEN / GAMMA-RAPHO VIA GETTY IMMAGINI)

Ecco come Babbo Natale può offrire regali al mondo intero in una notte

Con 1,6 miliardi di famiglie nel mondo, come fa Babbo Natale? Con un po 'di magia natalizia ... e molta scienza!

Come lo fa Babbo Natale? In una lunga notte, un uomo robusto e anziano, dotato di una slitta magica e otto renne volanti, consegna giocattoli ai bambini di ogni famiglia del mondo.

L'unica cattura? Devono credere in lui.

Devi chiederti se questo potrebbe essere fisicamente possibile. Se avesse la giusta tecnologia e tecnica, Babbo Natale potrebbe davvero effettuare tutte queste consegne? Con la popolazione mondiale che ora supera i 7 miliardi di persone, è un lavoro più duro che mai per Babbo Natale. Ma con il potere della scienza - e forse un po 'di magia natalizia - Babbo Natale è più che all'altezza della sfida.

Secondo le ultime ricerche (2013) di Pew sull'argomento, solo il 31% delle famiglie

Ecco cosa deve fare Babbo Natale, in termini di numero di famiglie che deve raggiungere e distanza media tra di loro.

  • Secondo Wikipedia e estrapolando la crescita della popolazione dalla data del sondaggio, ci sono circa 1,6 miliardi di famiglie in tutto il mondo.
  • Poiché la Terra ha circa 25 milioni di miglia quadrate (65 milioni di chilometri quadrati) di terra abitabile, la distanza media tra due famiglie qualsiasi è di circa 0,138 miglia (0,225 km).
  • E, almeno negli Stati Uniti, Babbo Natale "fingerà" di visitare il 31% delle famiglie in un dato anno. (Finge di? Faccio beffe della tua scetticismo spensierata, Pew.)

Tutto sommato, Babbo Natale ha la responsabilità di consegnare regali a circa 500 milioni di famiglie, con una separazione media che sale a 0,35 miglia (0,33 km) quando si tiene conto delle case che Babbo Natale non è in grado di visitare.

Il NORAD, il comando di difesa aerospaziale nordamericana, svolge molti compiti per il traffico aereo nel continente nordamericano, incluso assumersi la responsabilità del rifornimento di carburante dei combattenti sottoposti a esercitazioni e addestramento di combattimento (come mostrato qui) e di rintracciare Babbo Natale, che hanno svolto ogni anno a colpo sicuro per generazioni. (KENN MANN / USAF / GETTY IMMAGINI)

Sebbene ciò comporti un sacco di visite e una terribile distanza da percorrere, Babbo Natale non ha molto tempo per realizzare tutto. A partire dal tramonto della vigilia di Natale su un lato della linea di data internazionale (in Russia) e termina poco prima dell'alba il giorno di Natale sull'altro lato (in Alaska), almeno Santa ha il vantaggio di essere vicina al solstizio d'inverno, che gli dà un po 'di tempo in più nell'emisfero settentrionale.

A causa di fusi orari, la linea di data internazionale e le variazioni dei tempi di tramonto / alba tra località e latitudini, Babbo Natale finisce con un massimo di 42 ore per colpire quei mezzo miliardo di famiglie. In quel breve periodo, Babbo Natale deve svolgere i seguenti compiti:

  • raggiungere ogni casa, una distanza media di 0,205 miglia (0,33 chilometri) dalla casa precedente,
  • lascia la sua slitta ed entra nella casa senza essere scoperto,
  • consegnare tutti i regali,
  • mangia gli spuntini rimasti per lui,
  • e poi lascia la casa inosservata, monta la slitta e dirigiti verso la casa successiva.
Babbo Natale ha consegnato regali in tutto il mondo e avvistamenti sono stati segnalati anche in luoghi inaspettati, come nella casa di Babbo Natale nella Città Vecchia di Gerusalemme, in Israele. (Getty)

L'idea che una persona possa svolgere tutti questi compiti circa 500 milioni di volte in un periodo di 42 ore sembra una sfida scoraggiante. (In effetti, innumerevoli genitori di bambini che hanno mai creduto a Babbo Natale possono fornire testimonianze su quale sia una sfida anche per una sola famiglia!) Ma Babbo Natale non è scoraggiato dal compito monumentale che ha di fronte.

Con 500 milioni di famiglie da visitare e 42 ore per farlo, ciò significa che Babbo Natale ha un totale di soli 300 microsecondi (0.0003 secondi) per realizzare tutto ciò che deve realizzare per famiglia.

Sembra impossibile? Forse per un essere umano normale con tecnologia convenzionale, certo. Ma Babbo Natale potrebbe essere il più grande scienziato del mondo, come ho recentemente detto a Big Picture Science e al SETI Institute. E se accetti la scienza, dovresti avere fede anche in Babbo Natale. Diamo un'occhiata a ciascuna delle obiezioni che potresti avere.

Molte rappresentazioni popolari di Babbo Natale non lo coinvolgono seguendo il percorso ottimale determinato dalla scienza, ma ciò non dovrebbe in alcun modo portarci a concludere che Babbo Natale non può svolgere il lavoro. In effetti, la scienza ci dice esattamente come lo farebbe accadere! (L'UTENTE FLICKR LASCIA FUORI BOURNEMOUTH E POOLE)

1.) Non c'è modo che Babbo Natale possa viaggiare così velocemente in ogni casa. Queste velocità non sono così male; rispetto ai veicoli che abbiamo progettato, le velocità di cui Babbo Natale ha bisogno non sono poi così veloci. Almeno, non rispetto alla relatività e alla velocità della luce. Per spostare quella distanza media di 0,33 km da una casa all'altra, assumendo un tempo di 150 microsecondi (che è la metà del tempo totale concesso in ogni casa), Babbo Natale deve viaggiare solo a circa 1.367 miglia al secondo (2.200 km / s).

Certo, potrebbe sembrare terribilmente veloce rispetto alla tua tipica slitta, o anche alla tua tipica macchina, treno o aereo supersonico. Ma questa è inferiore all'1% della velocità della luce e molto più lenta delle particelle emesse da atomi radioattivi, acceleratori di particelle o persino il Sole.

Se fai il pieno di quelle renne, non c'è motivo di credere che Babbo Natale non possa fare questo viaggio da casa a casa a tempo di record.

Sicuramente, viaggiare a velocità incredibilmente elevate con una cabina di pilotaggio aperta sarebbe una proposta devastante per la maggior parte degli esseri umani, incluso Babbo Natale. Ma con i giusti progressi tecnologici applicati, potrebbe essere possibile volare a mezzo miliardo di famiglie in una sola notte folle senza farti del male. (GLOGGER UTENTE COMUNI WIKIMEDIA)

2.) Non c'è modo che una slitta aperta - e un Babbo Natale dentro - riescano a gestire il calore o l'accelerazione generata. Innanzitutto c'è l'obiezione di calore. Muovendosi a quelle intense velocità, le sole forze di attrito dell'atmosfera potrebbero essere un disastro; l'unica cosa che conosciamo che si scontra con l'atmosfera a quella velocità sono le meteore e i satelliti che rientrano nell'atmosfera.

Babbo Natale avrebbe bisogno di dissiparsi da qualche parte nell'ordine di qualche trilione di Joule di calore ogni secondo di viaggio, che è una quantità tremenda. Senza alcuna protezione, potresti aspettarti che Babbo Natale, volando nell'atmosfera alla velocità della pioggia di meteoriti, brucerebbe come fa un satellite durante il rientro.

L'astronauta Bob Crippen con la capsula Gemini-B e lo scudo termico gravemente sfregiato e danneggiato (ma intatto!). È molto difficile sopravvivere al rientro in un'atmosfera a una velocità persino inferiore a quella che Babbo Natale avrebbe probabilmente incontrato, ma forse la tecnologia a livello del Polo Nord ci darà esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. (NASA / KIM SHIFLETT)

Ma ci sono due vie d'uscita:

  • Potrebbe avere uno scudo termico che protegge sia la renna che se stesso, permettendogli di viaggiare liberamente. Questo è un problema, tuttavia, se stiamo prendendo in considerazione una slitta aperta, che per definizione non lascerà il pilota protetto. Ma la seconda opzione potrebbe superare anche questo.
  • Potrebbe avere un veicolo così aerodinamicamente avanzato che l'aria di fronte a lui viene per lo più evacuata, lasciando solo una leggera brezza. Assicurati che Babbo Natale abbia ossigeno da respirare e che siamo pronti per partire.

Le accelerazioni sono un po 'più ruvide, intendiamoci. Passare da 0 a 60 miglia all'ora in un decimo di secondo è un disastro per la maggior parte delle persone; saresti svenuto (o peggio) dall'accelerazione. Ciò presuppone che tu provi solo 27 g di forza, dove 1 g è l'accelerazione dovuta alla Terra. Ma Babbo Natale, per raggiungere solo la sua velocità media viaggiando da casa a casa, richiede 1,5 miliardi di gs.

Anche se rappresentiamo la maggior parte della popolazione mondiale concentrata nelle aree urbane, l'accelerazione e la decelerazione durante il viaggio da un tetto all'altro sarebbero catastrofiche in questi brevi intervalli di tempo.

Il record per la resistenza umana in tempi brevi è di 83 g, del maggiore John Beeding su una slitta a razzo. L'idea che gli umani potessero prendere queste incredibili accelerazioni / decelerazioni è stata introdotta da John Stapp, che ha testato i suoi dispositivi su se stesso negli anni '40 e '50.

Ma Babbo Natale non è condannato da questi vincoli; deve semplicemente implementare la soluzione alternativa giusta. Tutto ciò di cui ha bisogno, per sopravvivere a questo viaggio a queste velocità e accelerazioni, è un modo per mantenere il suo sangue che scorre normalmente attraverso il suo corpo. Una tuta sufficientemente pressurizzata, combinata con un sistema a turbina biologica che è molto più potente di un cuore umano, potrebbe facilmente farlo.

Certo, la modifica biologica non è ciò che pensi quando pensi a Babbo Natale, ma sicuramente la felicità dei bambini di tutto il mondo vale un piccolo intervento di sostituzione di organi?

L'astronauta Stephen K. Robinson, specialista di missione STS-114, ancorato a un sistema di ritenuta per i piedi sul Canadarm2 della Stazione Spaziale Internazionale, partecipa alla terza sessione di attività extraveicolare della missione (EVA). Un tale dispositivo meccanico ancorato potrebbe essere facilmente collegato a una slitta per Babbo Natale, ma la fisica offre un'opzione ancora migliore. (NASA)

3.) In che modo Babbo Natale potrebbe entrare in tutte quelle case così silenziosamente, senza mai lasciare impronte? Stealthy non è esattamente l'immagine che hai in mente quando pensi a un uomo anziano in sovrappeso che viaggia in tutto il mondo e indossa stivali. Potrebbe essere allettante pensare di collocare Babbo Natale all'interno tramite un impianto meccanico - sia attraverso un camino, una finestra o un altro punto di ingresso - ma le leggi della fisica offrono un'opzione ancora migliore.

Nell'universo quantico, tuttavia, c'è una probabilità finita che se ti trovi su un lato di una barriera e ti imbatti in esso, non ti sbatterai o rimbalzerai. Invece, potresti semplicemente passare dall'altra parte. È noto che questo fenomeno del tunneling quantistico si verifica e dovrebbe comportare una probabilità finita anche di oggetti macroscopici, sebbene con una probabilità molto bassa.

Quando una particella quantistica si avvicina a una barriera, molto spesso interagirà con essa. Ma c'è una probabilità finita di non solo riflettere la barriera, ma scavalcarla. Se Babbo Natale potesse sfruttare questa possibilità, sarebbe un'opzione più pulita, più sicura e superiore per andare giù da un camino. (COMUNI YUVALR / WIKIMEDIA)

Babbo Natale avrebbe potuto padroneggiare completamente il controllo di questo fenomeno? È la soluzione più elegante a un problema difficile, consentendo a Babbo Natale di:

  • entra in qualsiasi casa a volontà,
  • porta dentro qualunque regalo volesse,
  • lasciare qualunque regalo desiderasse ovunque volesse,
  • e poi esci, con solo se stesso, per tornare alla sua slitta.

Dato che è il più grande scienziato della storia dell'umanità, non scommetterei mai contro Babbo Natale.

Semplicemente arrivando con i regali nei posti giusti, consegnare i regali di Natale potrebbe essere facile e veloce come Babbo Natale semplicemente lasciando andare i pacchi che ha portato in casa. (Getty)

4.) Come ha potuto consegnare i regali così in fretta? La consegna dei regali non richiede molto tempo. Finché Babbo Natale arriva nella posizione corretta, tutto ciò che deve fare per consegnare correttamente questi regali è questo: lasciarli andare. Portali a una distanza minima, trascurabile dal suolo, proprio sotto l'albero, e rilasciali.

Questo è tutto! Con i regali consegnati, è nella casa successiva, dopo solo un compito più importante.

Gli snack lasciati a Babbo Natale possono deliziare le sue papille gustative e fornire carburante al suo corpo, ma il loro vero scopo dovrebbe essere quello di alimentare le renne che alimentano il suo fantastico volo di Natale. (PIXABAY USER JILL111)

5.) Il consumo degli spuntini di Natale. Questo in realtà funziona alla perfezione. Vedi, ci vuole un'enorme quantità di energia - e quindi di carburante - per trascinare una slitta piena di regali per 500.000.000 di famiglie in tutto il mondo. Certo, puoi immaginare che le tue renne volanti siano già magiche, quindi forse potrebbero semplicemente occuparsene magicamente. Ma cerchiamo di essere scientifici, e ricorda che tutto deve obbedire alla conservazione dell'energia, anche a Babbo Natale.

Quindi, quanta energia ci vuole davvero per trasportare questi regali in tutto il mondo?

Supponendo che Babbo Natale abbia circa 4,5 libbre (2,0 chilogrammi) di regali da consegnare a ogni casa, che si sommano a circa un milione di tonnellate di regali sulla sua slitta a pieno carico. (Diventa più leggero con il passare della notte.) Questa è circa 4.000 volte la capacità di carico utile del più grande aereo sulla Terra: l'Antonov An-255, che viene utilizzato per trasportare la navetta spaziale.

L'aereo in grado di sollevare il carico utile più pesante è il cosacco di Antoniv An-225 Mriya, mostrato qui rimorchiato a terra con la navetta spaziale sovietica Buran sulla schiena. Questo aereo è alimentato da un carburante a base chimica, che è efficiente solo per lo 0,001% per la sua massa. (GETTY)

Il carburante per missili è costoso, certo, ma è anche inefficiente! Solo circa lo 0,001% della massa del carburante per missili va in energia; il resto è semplicemente sprecato, peso morto. E se le renne di Babbo Natale - il vero potere dietro l'epico volo di Babbo Natale - potessero trasformare quel latte e i biscotti in energia tramite E = mc² di Einstein?

Incredibilmente, le piccole, piccole quantità di massa anche in un singolo, piccolo biscotto potrebbero alimentare Babbo Natale e tutti i giocattoli del mondo da una casa all'altra, perché E = mc² è efficiente al 100%. Gli avanzi, ovviamente, sono tutti per il divertimento di Babbo Natale.

La famosa foto

Certo, ci sono molti racconti fittizi della storia di Babbo Natale, in cui si affida alla tecnologia, alla magia o ad una serie di aiutanti, ma quelli sono per i dubbiosi là fuori che non capiscono il vero potere della magia natalizia. Dopotutto, non devi mai dimenticare la lezione più importante che abbiamo imparato da Apollo 8, il primo veicolo spaziale con equipaggio a lasciare l'orbita terrestre bassa. Il seguente scambio tra Ken Mattingly (al controllo della missione a Houston) e Jim Lovell (a bordo dell'Apollo 8) 50 anni fa:

089: 32: 50 Mattingly: Apollo 8, Houston. [Nessuna risposta.]
089: 33: 38 Mattingly: Apollo 8, Houston.
089: 34: 16 Lovell: Houston, Apollo 8, oltre.
089: 34: 19 Mattingly: Ciao, Apollo 8. Forte e chiaro.
089: 34: 25 Lovell: Roger. Si informa che esiste un Babbo Natale.
089: 34: 31 Mattingly: è affermativo. Sei il migliore da sapere.

Con tutta la scienza che conosciamo, c'è solo un mistero a cui ancora non sappiamo come rispondere a proposito di Babbo Natale. Con tutti quei regali da consegnare, quando trova il tempo di andare in bagno?

Starts With A Bang è ora su Forbes e ripubblicato su Medium grazie ai nostri sostenitori di Patreon. Ethan ha scritto due libri, Beyond The Galaxy e Treknology: The Science of Star Trek da Tricorders a Warp Drive.