เคยสงสัยกันหรือไม่!? ว่าวิธีการแจกของขวัญของซานตาคลอสที่อาศัยเพียงแค่กวางเรนเดียร์ จะสามารถส่งของขวัญให้กับเด็กๆ กว่าล้านคนภายในคืนเดียวได้อย่างไร? ฟังดูแล้ว ก็คงมีแต่ในหนัง การ์ตูนหรือนวนิยายเท่านั้น... แต่หากเราจะสามารถอธิบายทฤษฎีเหล่านี้ได้ด้วยกฎฟิสิกส์และวิทยาศาสตร์ล่ะ ? จะเป็นไปได้มากน้อยแค่ไหน มาดูกัน..
ข้อสงสัยนี้ถูกวิเคราะห์โดยนักวิทยาศาสตร์มากมายอย่างไม่จบสิ้น หากเราลองจินตนาการถึงจำนวนเด็กทั้งหมดทั่วโลกดูแล้วจะเห็นว่า ภารกิจส่งของขวัญนั้นยิ่งใหญ่กว่าที่คิด...
ในปี 2009 เกรกอรี่ โมน (Gregory Mone) บรรณาธิการนิตยสาร Popular Science Magazine ผู้เขียนหนังสือ “The Truth About Santa” ทดลองประมาณจำนวนของเด็กที่ต้องได้รับของขวัญอยู่ที่ราว 300 ล้านชิ้น ปกติบ้านหนึ่งน่าจะมีเด็กมากกว่าหนึ่งคน ดังนั้นตัวเลขกลมๆ ที่ซานต้าต้องแวะส่งของขวัญตามบ้านน่าจะอยู่ที่เฉลี่ย 200 ล้านหลังในคืนเดียว เกรกอรี่ตั้งเงื่อนไขว่า ถ้าซานต้าใช้เวลาในการส่งของขวัญอย่างเร็วที่สุดบ้านละ 30 วินาที นั่นเท่ากับต้องใช้เวลาถึง 100 ล้านนาที หรือคิดเป็น 190 ปี กว่าซานตาคลอสจะส่งของขวัญเสร็จ! ซึ่งคงไม่ดีแน่หากเด็กๆ ที่กำลังรอของขวัญวันคริสต์มาสในคืนนั้นได้สิ้นอายุขัยไปเสียก่อน
ทุกๆ ปีในช่วงเวลานี้ นักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะอธิบายแง่มุมต่างๆ ในเรื่องราวของซานตาคลอส และแม้จะพบเพียงแค่บางส่วนของเรื่อง แต่ก็สามารถอธิบายความมหัศจรรย์วันคริสมาสต์ได้ในทางวิทยาศาสตร์ ดังนี้
ดอกเตอร์เคธี ชีน (Katy Sheen) จากมหาวิทยาลัย Exeter ก็เป็นหนึ่งในนักวิทยาศาสตร์ที่ค้นพบว่า หลากหลายองค์ประกอบของตำนานที่ท้าทายความอยากรู้อยากเห็นสามารถเข้าใจได้ เมื่อพิจารณาถึงทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ถูกเสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1905 โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในบทความเกี่ยวกับพลศาสตร์ไฟฟ้าของวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ (On the Electrodynamics of Moving Bodies) เป็นทฤษฎีที่ได้รับการยอมรับและได้รับการยืนยันทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งและเวลา โดยพิจารณาเฉพาะข้อมูลที่ไม่เกี่ยวข้องกับแรง (ความเร่ง)
ดอกเตอร์ชีนคำนวณความเร็วในการเดินทางของซานตาจากจำนวนครัวเรือนที่กำลังเฉลิมฉลองเทศกาลคริสต์มาสทั่วโลกพร้อมกับคาดการณ์จำนวนของเด็กที่อยู่ในครอบครัวเหล่านั้นได้ว่า การไปเยี่ยมเด็กๆ ราว 700 ล้านคนในระยะเวลา 31 ชั่วโมง (การคำนวณคำนึงถึงโซนเวลาทั่วโลก) หมายความว่า ซานตาและกวางขนาดใหญ่ของเขาจะต้องเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 10 ล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมง และด้วยความเร็วขนาดนี้ ทำให้ซานตาคลอสหดตัวและลอดลงมาทางปล่องไฟได้
จากทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษเมื่อวัตถุเคลื่อนที่ (มีมวล) ความยาวของวัตถุที่วัดได้จะหดสั้นลงในทิศทางของการเคลื่อนที่ และยิ่งวัตถุใช้ความเร็วในการเคลื่อนที่ในระดับที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสง ความยาวที่วัดได้ก็จะยิ่งหดสั้นลง ซึ่งเฉพาะผู้สังเกตที่อยู่ในกรอบอ้างอิงที่แตกต่างจากกรอบอ้างอิงของวัตถุเท่านั้นที่จะตรวจจับการหดตัวได้ แต่สำหรับมุมมองของกรอบอ้างอิงของวัตถุ ความยาวจะยังคงเดิม ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การหดสั้นของความยาว (Length contraction) หรือการหดสั้นของลอเรนซ์ (Lorentz contraction)
การยืดของเวลา (Time dilation) ส่วนหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอสไตน์เช่นเดียวกัน โดยอธิบายได้ว่า เวลาที่ล่วงไปขึ้นกับความเร็วสัมพัทธ์ของกรอบอ้างอิงของผู้สังเกตที่แตกต่างกัน กล่าวคือวัตถุที่มีการเคลื่อนที่ใกล้เคียงกับความเร็วแสงมาก เวลาก็จะยิ่งช้าลง เมื่อเทียบกับเวลาของวัตถุอื่นที่หยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ช้ากว่า เช่นว่าเมื่อซานตาคลอสเดินทางส่งของขวัญให้แก่เด็กๆ ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง นั่นหมายความว่า เวลาของซานตาคลอสจะเดินปกติในกรอบเวลาของซานตาคลอสเอง แต่จะเดินเร็วกว่าเวลาของเด็กๆ ที่อยู่ในบ้านหรืออยู่ในห้องนอนที่ไม่เคลื่อนที่หรือเคลื่อนที่ช้ากว่า ด้วยเหตุนี้จึงอธิบายได้ว่า ทำไมซานตาคลอสดูไม่แก่ลงเลยทั้งที่แจกของให้เด็กๆ มานานเป็นร้อยปี
ความเร็วที่ซานตาคลอสใช้ในการส่งของขวัญทั่วโลกจะทำให้เขาเปลี่ยนจากสีแดงเป็นสีเขียว และหากว่า เด็กคนใดเป็นเด็กดีที่สมควรได้รับของขวัญมากกว่าคนอื่น ซานตาก็อาจจะต้องเพิ่มความเร็วให้มากขึ้น และด้วยความเร็วที่สูงขึ้นจากเดิมนี้ในท้ายที่สุด เขาก็จะค่อยๆ หายตัวไปเช่นภาพของสายรุ้งที่ค่อยๆ จางหายไปจากสายตาของมนุษย์ เด็กๆ จึงไม่ทันได้เอ่ยคำทักทายต่อเขา กรณีเช่นนี้สามารถอธิบายได้ด้วยปรากฎการณ์ Doppler effect
ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ (Doppler effect) เป็นปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของความยาวคลื่นหรือความถี่ เนื่องจากความสัมพัทธ์ระหว่างผู้สังเกตกับทิศทางการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดคลื่น โดยจะเริ่มต้นด้วยการอธิบายถึงคลื่นสองชนิดนั่นคือ คลื่นแสงและคลื่นเสียง
หากแหล่งกำเนิดคลื่นเคลื่อนที่เข้ามาใกล้ผู้สังเกต คลื่นจะถูกบีบอัด ช่วงคลื่นจะห่างกันน้อยลง ความยาวคลื่นจะลดลง (ความถี่สูงขึ้น) ซึ่งหากเป็นคลื่นแสง ความยาวคลื่นที่ลดลงจากแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้ามาใกล้ จะทำให้แสงเลื่อนไปทางสีน้ำเงินของสเปกตรัม (Blue shift) และเมื่อคลื่นแสงเคลื่อนที่ห่างออกไปก็จะเลื่อนไปทางสีแดงของสเปกตรัม (red shift) สำหรับการมองเห็นของผู้สังเกต จะมองเห็นแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่เข้าและออกจากตัวในระดับสายตาเท่านั้น แต่ด้วยความเร็วของซานตาคลอสแล้ว ไม่มีทางที่เราจะได้เห็นตัวจริงของเขาแน่นอน
เมื่อแหล่งกำเนิดเคลื่อนที่เข้ามาใกล้จะทำให้เราได้ยินเสียงแหลมสูง และเสียงจะเริ่มทุ้มจนจางหายเป็นความเงียบสนิทเมื่อคลื่นเสียงนั้นเคลื่อนที่ผ่านและเริ่มห่างออกไป (เช่นการเคลื่อนที่ของรถตำรวจที่ติดไซเรน) ซึ่งสำหรับการเคลื่อนที่ของซานตาคลอส การลงจอดของรถเลื่อน หรือแม้แต่เสียงกระดิ่งและเสียงหัวเราะทุ้มลึก “Ho Ho Ho” เด็กๆ คงจะได้ยินแค่ในเพลง Merry Christmas
แต่หากเด็ก ๆ คนใดได้ยินเสียงดังในคืนวันก่อนคริสต์มาส เสียงนั่นอาจไม่ใช่เสียงของซานตาที่กำลังหย่อนของขวัญหรือการปืนลงมาทางปล่องไฟ แต่อาจเป็นเสียงที่เกิดจาก คลื่นกระแทก (Shock waves) ที่เกิดจากกวางเรนเดียร์ที่เร่งความเร็วให้เคลื่อนผ่านอากาศเร็วกว่าความเร็วเสียงที่เรียกว่า “Sonic boom”
อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ท่านนี้ยังไม่สามารถตอบคำถามในเรื่องของมวลเชิงสัมพัทธภาพได้ แต่ก็หวังเป็นอย่างยิ่งว่าคำอธิบายเกี่ยวกับการจัดการกับการส่งมอบของขวัญของซานตานี้จะทำให้เขามีตัวตนเพื่อเติมแต่งจินตนาการของเด็กๆ และสร้างแรงบันดาลใจต่อความสนใจวิทยาศาสตร์และฟิสิกส์มากขึ้น
ซานต้ามีเวลาในการส่งของขวัญ 31 ชม. เนื่องจากช่วงต่างของเวลาและการหมุนของโลก สมมุติให้ซานต้าเดินทางส่งของขวัญจากด้านทิศตะวันออกไปตะวันตก ดังนั้นซานต้าต้องแวะส่งของขวัญด้วยอัตรา 822.6 ครั้งต่อวินาที บนสมมติฐานว่าแต่ละหลังมีเด็กดี 1 คน ซานตาต้องใช้เวลาภายใน 0.01 วินาทีในการแจกของขวัญในบ้านแต่ละหลัง
หากสมมติว่ามีบ้าน 91.8 ล้านหลังที่ต้องส่งของขวัญทั่วโลก (ตัวเลขใช้ในการสมมติเท่านั้น) หากระยะทางจากบ้านแต่ละหลัง ห่างกัน 0.78 ไมล์ ซานตาจะใช้ระยะทางทั้งหมด 75.5 ล้านไมล์ ไม่นับการหยุดเพื่อทำธุระส่วนตัวภายในช่วงเวลา 31 ชั่วโมง เช่น ทานอาหาร, อื่นๆ
ดังนั้นรถเลื่อนจะต้องมีความเร็ว 650 ไมล์ต่อวินาที (3000 มัค) หากจะเปรียบเทียบแล้ว พาหนะที่เร็วที่สุดที่มนุษย์สร้างขึ้นคือ the Ulysses space probe เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 27.4 ไมล์ต่อวินาที
กวางเรนเดียร์
เรนเดียร์ทั่วๆ ไปสามารถลากสิ่งของที่หนักไม่เกิน 300 ปอนด์ แม้ว่าเรนเดียร์ที่บินได้ จะสามารถลากสิ่งของได้ 10 เท่าของปกติก็ตาม เรายังต้องการเรนเดียร์ถึง 214,200 ตัว และนี่ก็จะทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นอีกเช่นกัน ยังไม่ได้พูดถึงน้ำหนักเลื่อนอีก 353,430 ตัน น้ำหนักนี้หนักเป็น 4 เท่าของเรือเดินสมุทธ Queen Elizabeth
พิจารณาที่มวล 353,000 ตัน วิ่งด้วยความเร็ว 650 ไมล์ต่อวินาที จะสร้างแรงต้านอากาศสูงมหาศาล จะทำให้เกิดความร้อนที่ตัวเรนเดียร์ในระดับเดียวกับยานอวกาศในขณะกลับเข้า สู่ชั้นบรรยากาศ กวางเรนเดียร์คู่หน้าจะต้องทนรับพลังงาน 14.3 QUINTILLION (14.3 x 10^18) จูลส์ต่อวินาที
ในระยะสั้นพวกมันจะระเหิดเป็นไอทันที และเกิดลูกโซ่ต่อเรนเดียร์ตัวที่อยู่ข้างหลัง และทำให้เกิดโซนิคบูม เรนเดียร์ทั้งหมดจะระเหิดไปภายในเวลา 0.00426 วินาที ในขณะที่ซานต้าจะถูกแรงกระทำ 17,500.06 เท่าของแรง G ซานต้าที่น้ำหนักตัว 250 ปอนด์ (ค่อนข้างผอม)จะถูกผลักจนล้มไปบนเลื่อนด้วยน้ำหนัก 4,315,015 ปอนด์!
ทั้งนี้ เป็นเพียงทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์เท่านั้น! และความมหัศจรรย์ของวันคริสมาสต์ อาจมีอยู่จริงหรือไม่จริงก็ได้แต่หากจะเชื่อต่อไปก็ไม่ผิด เพราะมันคือช่วงเวลาแห่งความสุข .... Merry Christmas! อย่าลืมใช้เวลาช่วงท้ายปีนี้ให้คุ้มค่ากันด้วยนะ
#CMUSTeP #MakeInnovationSimple #CreativeSTeP #Christmas #Santa #MerryChristmas #วันคริสต์มาส #ของขวัญ #ซานตาคลอส
แหล่งที่มา :
หนังสือ “รู้ทันซานต้า” (The Truth About Santa) เขียนโดย เกรกอรี่ โมน
Santa Claus
Researcher Explains How Santa Delivers Presents in One Night