Badacz oblicza prędkość Świętego Mikołaja w Wigilię Bożego Narodzenia – i oto, co by to zrobiło z nosem Rudolfa

Miliardy dzieci na całym świecie z niecierpliwością czekają na prezenty, a Święty Mikołaj (lub Święty Mikołaj) i jego renifery muszą podróżować z zawrotną szybkością, aby dostarczyć je wszystkie w ciągu jednej nocy.

Ale czy wiesz, że światło obiektu poruszającego się z dużą prędkością zmienia kolor? Dzieje się tak dzięki tak zwanemu efektowi Dopplera – sposobowi, w jaki prędkość wpływa na długość fal, takich jak dźwięk lub światło.

Kiedy światło zmienia kolor pod wpływem prędkości, nazywamy to przesunięciem ku czerwieni lub błękitowi, w zależności od kierunku. Gdybyśmy za pomocą jednego z naszych teleskopów mogli uchwycić kolor słynnego czerwonego nosa Rudolfa, moglibyśmy wykorzystać efekt Dopplera do pomiaru prędkości Świętego Mikołaja.

Oto, jak to może działać i dlaczego ten efekt jest również kluczowym narzędziem w astronomii.

Jaką odległość musi pokonać Święty Mikołaj i jego renifery?

Zapnij pasy i weź udział w lekkiej świątecznej matematyce. Zaktualizowałem metoda zaproponowana w 1998 roku aby obliczyć, jak szybko Rudolf i Święty Mikołaj muszą podróżować, aby dostarczyć wszystkie potrzebne prezenty (moje obliczenia robocze znajdziesz tutaj).

Tam są około 2 miliardów dzieci poniżej 14 roku życia na świecie. Około 93% krajów obchodzić Boże Narodzenie w jakiś sposób, więc założymy, że 93% wszystkich dzieci to robi.

Wiemy, że Święty Mikołaj dostarcza prezenty tylko tym, którzy naprawdę wierzą. Jeśli założymy to samo procent wierzących według grup wiekowych jak w Stanach Zjednoczonych, co daje nam około 690 milionów dzieci.

Z na całym świecie około 2,3 dzieci na gospodarstwo domowemusi odwiedzić około 300 milionów gospodarstw domowych.

Rozkładając te gospodarstwa równomiernie na 69 milionów kilometrów kwadratowych nadającego się do zamieszkania obszaru Ziemi (biorąc pod uwagę oceany, pustynie, Antarktydę i góry), Święty Mikołaj musi w Wigilię przebyć 144 miliony kilometrów. To prawie to samo jako odległość Ziemi od Słońca.

Na szczęście Święty Mikołaj ma po swojej stronie strefy czasowe, a pomiędzy dostarczeniem pierwszego i ostatniego prezentu upływa 35 godzin.

Załóżmy, że Święty Mikołaj poświęca połowę swojego czasu na wchodzenie i wychodzenie z każdego gospodarstwa domowego, co daje mu w sumie 17,5 godziny lub 0,2 milisekundy na gospodarstwo domowe. Pozostałe 17,5 godziny wykorzystuje na dojazdy pomiędzy gospodarstwami domowymi.

Moja hipoteza jest taka, że ​​aby podrzucić wszystkie prezenty, musi jechać z prędkością 8,2 miliona kilometrów na godzinę, czyli 0,8% prędkości światła.

Jak zmierzyć prędkość Świętego Mikołaja za pomocą nosa Rudolfa?

Załóżmy, że chcemy zmierzyć prędkość podróży Świętego Mikołaja i sprawdzić, czy odpowiada ona hipotezie.

Standardowy fotoradar nie załatwiłby sprawy. Ale mamy na Ziemi teleskopy, które mogą mierzyć kolor czegoś za pomocą spektroskopia.

Główny renifer Świętego Mikołaja, Rudolf, ma słynną historię rubinowoczerwony nos. Gdybyśmy mogli obserwować Świętego Mikołaja przez teleskopy, moglibyśmy wykorzystać kolor nosa Rudolfa do pomiaru jego prędkości za pomocą Efekt Doppleraktóry opisuje, jak prędkość wpływa na długość fali. To dlatego, że nos Rudolfa nie byłby aż tak czerwony, gdyby jechał z dużą prędkością.

Co to jest efekt Dopplera? Dobrym przykładem jest dźwięk karetki. Kiedy mija Cię na ulicy, jego dźwięk jest wyższy, gdy się zbliża, i niższy, gdy odjeżdża. Dzieje się tak dlatego, że gdy karetka zbliża się do Ciebie, fale dźwiękowe są kompresowane do krótszej długości fali, a krótsza długość fali oznacza wyższy ton.

To samo dzieje się ze światłem. Jeśli źródło światła oddala się od Ciebie, długość fali ulega wydłużeniu i staje się bardziej czerwona lub „przesunięta ku czerwieni”. Jeśli źródło światła przemieszcza się w twoją stronę, długość fali jest kompresowana, a światło staje się bardziej niebieskie lub „przesunięte w stronę błękitu”.

Rudolf, przesunięty na czerwono renifer

Światło czerwone w stanie „spoczynku” ma długość fali 694,3 nanometra, co oznacza, że ​​się nie porusza. To byłby wymiar nieruchomego Rudolfa.

Załóżmy, że Święty Mikołaj wolałby szybko dostarczyć prezenty, aby pod koniec wieczoru mógł się zrelaksować przy mleku i ciastkach. Sprawia, że ​​jego renifery biegają znacznie szybciej, niż przypuszczałem, z prędkością 10% prędkości światła, czyli 107 milionów kilometrów na godzinę.

Przy tej prędkości nos Rudolfa zmieniłby kolor na niebieski i stał się jasnopomarańczowy (624 nanometry), gdy leciałby w stronę Twojego domu.

W miarę oddalania się obiekt ulegał przesunięciu ku czerwieni do bardzo ciemnej czerwieni (763 nanometrów). Najciemniejsze czerwone ludzkie oczy, jakie widzą, znajdują się w pobliżu 780 nanometrów. Przy tych prędkościach nos Rudolfa byłby prawie czarny.

Efekt Dopplera odgrywa rolę w astronomii

Astronomowie wykorzystują efekt Dopplera do pomiaru ruchu obiektów w przestrzeni. Możemy go użyć, aby sprawdzić, czy a gwiazda krąży wokół innej gwiazdy—co jest znane jako system binarny.

Możemy go również użyć do znalezienia egzoplanet (planet krążących wokół gwiazd innych niż nasze Słońce) za pomocą metody zwanej „prędkość promieniowa”. Możemy nawet użyć go do pomiaru odległości do odległe galaktyki.

Są rzeczy, których nauka po prostu nie potrafi wyjaśnić, a jedną z nich jest magia Świętego Mikołaja. Ale jeśli astronomowie kiedykolwiek złapią Rudolfa za pomocą swoich teleskopów, z pewnością powiadomią wszystkich.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.