Wie die Relativitätstheorie dem Weihnachtsmann beim Geschenkebringen hilft Einstein und der Weihnachtsmann - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wie die Relativitätstheorie dem Weihnachtsmann beim Geschenkebringen hilft

Einstein und der Weihnachtsmann

Einige der Rätsel rund um den Weihnachtsmann und seine Highspeed-Weltreise lassen sich durch Einsteins Relativitätstheorie erklären. © Wavebreakmedia /thinkstock

Wie schafft es der Weihnachtsmann, in einer Nacht Millionen Kinder zu beliefern? Und warum passt er dabei durch jeden Schornstein? Eine britische Physikerin hat sich einige Eigenheiten von Santa Claus näher angeschaut. Sie kommt zu dem Schluss: Einsteins Relativitätstheorie kann einige der scheinbar „unmöglichen“ Leistungen des Weihnachtsmannes erklären.

Vor allem in den USA und Großbritannien, aber auch in Teilen Deutschlands bringt traditionell der Weihnachtsmann die Geschenke. In der Weihnachtsnacht kommt er dafür heimlich und blitzschnell durch den Schornstein in die Wohnungen und deponiert die Gaben. Dabei hat er allerdings einiges zu tun: Mindestens 700 Millionen Kinder muss er allein in der Weihnachtsnacht besuchen.

Zehn Millionen Stundenkilometer

Wie der Weihnachtsmann dies schaffen kann und was hinter seinen anderen außergewöhnlichen Eigenheiten steckt, hat nun die Physikerin Katy Sheen von der University of Exeter genauer untersucht – aus physikalischer Sicht.

Die erste und grundlegende Besonderheit des Weihnachtsmannes ist sein Tempo: Rechnet man die unterschiedlichen Zeitzonen mit ein, hat Santa Claus rund 31 Stunden Zeit, um die etwa 700 Millionen Kinder aus mehr oder weniger christlichen Haushalten rund um die Welt zu besuchen. Um das zu schaffen, müssten er und seine Rentiere mit einer Geschwindigkeit von mindestens zehn Millionen Kilometern pro Stunde um die Erde rasen, wie Sheen ausrechnete.

Mit Spaghetti-Effekt durch den Schornstein

Damit würde der Weihnachtsmann nicht nur locker die Schallmauer durchbrechen, er wäre sogar so schnell, dass relativistische Effekte auftreten könnten. Diese Effekte ergeben sich aus Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie und treten vor allem dann auf, wenn ein Objekt sich stark beschleunigt und mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt.

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Ähnlich, wie ein Stern durch die enorme Schwerkraft eines Schwarzen Lochs gedehnt wird, geschieht dies auch mit einem Objekt, das auf relativistische Geschwindigkeiten beschleunigt wird. © ESO

Einer der Effekte beim um den Globus rasenden Weihnachtsmann ist eine Längendehnung: Nach der Relativitätstheorie wird ein Objekt immer länger und dünner, je höher seine Beschleunigung ist. Diesem „Spaghettisierungs-Effekt“ würde in gewissem Maße auch der Weihnachtsmann unterliegen, wie Sheen erklärt. Dadurch passt er trotz seiner beachtlichen Leibesfülle durch jeden noch so engen Schornstein: Dank der relativistischen Effekte sind er und sein Geschenkesack dünn genug – solange er nicht langsamer wird.

Konserviert dank Zeitdehnung

Auch ein weiteres Merkmal des Weihnachtsmannes führt die Physikerin auf die Relativitätstheorie zurück: Obwohl er seit Jahrhunderten existiert, scheint er nie älter zu werden. Immer bleibt er der gleiche weißbärtige, aber durchaus rüstige ältere Herr. Der Grund dafür: die Einstein’sche Zeitdehnung. Ist man mit hoher Beschleunigung unterwegs, dann vergeht auch die Zeit langsamer.

Ein Astronaut, der längere Zeit in einem sehr schnellen Raumschiff unterwegs wäre, wäre bei seiner Rückkehr zur Erde daher weniger stark gealtert als seine Zeitgenossen auf der Erde. Nach Ansicht von Sheen könnte dieser Effekt erklären, warum auch der Weihnachtsmann kaum älter wird: Er ist so oft mit relativistischen Geschwindigkeiten unterwegs, dass auch auf ihn die Einstein’sche Zeitdehnung wirkt.

Unsichtbar und lautlos

Eine physikalische Erklärung hat Katy Sheen auch für die Tatsache, dass sich der Weihnachtsmann selten bei seinem Tun ertappen lässt. Er bleibt unsichtbar und auch meist unhörbar, wenn er durch den Schornstein rast und die Geschenke bringt. Hier kommt der Doppler-Effekt zum Tragen. Die Schallwellen seiner Rufe werden bei seiner Annäherung so stark komprimiert, dass sich ihre Frequenz bis in den für uns unhörbar hohen Bereich verschiebt. Dadurch bleiben Santa Claus und sein Tun für uns lautlos.

Doppler-Effekt beim Licht: Bewegt sich ein strahlenden Objekt auf uns zu, verkürzt sich die Wellenlänge, bewegt es sich weg, gibt es eine Rotverschiebung. © Aleš Tošovský/CC-by-sa 3.0

Ein ähnlicher Effekt kommt auch im optischen Bereich zum Tragen. Denn auch das Licht, durch das wir den Weihnachtsmann und seinen Schlitten im Stillstand sehen würden, verändert sich bei hohem Tempo. Kommt er schnell auf uns zu, verkürzt sich die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung. Diese Blauverschiebung nutzt man beispielsweise in der Astronomie, um die Bewegung von Sternen oder die Plasmaströmungen auf der Sonne zu messen.

Beim Weihnachtsmann würde dieser optische Dopplereffekt die Farbe seines roten Mantels erst ins kurzwelligere grün und blau verschieben, dann in den für uns unsichtbaren UV-Bereich. Als Folge wären Santa Claus und seine Rentiere für uns unsichtbar, wie Sheen erklärt.

Physik mit Augenzwinkern

Natürlich ist das Ganze eher Physik mit einem Augenzwinkern, wie die Forscherin betont. Sie nutzt diese Beispiele, um Kindern beim „Science of Christmas Festival“ auf anschauliche Weise Physik beizubringen. Vielleicht, so ihre Hoffnung, wecken solche praktischen, wenn auch nicht ganz ernsten Beispiele bei dem einen oder anderen Kind ja ein neues Interesse für die Naturwissenschaften.

Wenn dann der Weihnachtsmann möglicherweise im nächsten Jahr einen Experimentierkasten auf dem Wunschzettel dieses Kindes findet, dann hat sich das Ganze schon gelohnt.

(University of Exeter, 23.12.2016 – NPO)

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