RW Space

Поскольку миллиарды детей по всему миру с нетерпением ждут своих подарков, Деду Морозу (или Санте) и его оленям приходится путешествовать с головокружительной скоростью, чтобы доставить их всех за одну ночь.

Но знаете ли вы, что свет от объекта, движущегося с высокой скоростью, меняет цвет? Это происходит благодаря так называемому эффекту Доплера – тому, как скорость влияет на длину волн, таких как звук или свет.

Вот как это может работать – и почему этот эффект также является важным инструментом в астрономии.

Как далеко нужно проехать Деду Морозу и его оленям?

Пристегнитесь к саням, чтобы выполнить несложную рождественскую математику. Я обновил метод, предложенный в 1998 году, чтобы определить, как быстро Рудольфу и Деду Морозу нужно путешествовать, чтобы доставить все необходимые подарки (вы можете найти мои работы здесь).

В мире около 2 миллиардов детей в возрасте до 14 лет. Примерно 93% стран так или иначе празднуют Рождество, поэтому мы предполагаем, что это делают 93% всех детей.

Мы знаем, что Дед Мороз дарит подарки только тем, кто искренне верит. Если мы предположим, что процент верующих по возрастным группам такой же, как и в Соединенных Штатах, у нас останется примерно 690 миллионов детей.

Поскольку в каждой семье по всему миру около 2,3 детей, ему приходится посещать примерно 300 миллионов семей.

Распределив эти домохозяйства равномерно по 69 миллионам квадратных километров обитаемой суши на Земле (с учетом океанов, пустынь, Антарктиды и гор), Дед Мороз должен преодолеть 144 миллиона километров в канун Рождества. Это почти такое же расстояние, как расстояние от Земли до Солнца.

К счастью, у Деда Мороза есть часовые пояса. на его стороне, с 35 часами между доставкой первого и последнего подарка.

Предположим, Дед Мороз использует половину своего времени, чтобы входить и выходить из каждого дома, что дает ему всего 17,5 часов или 0,2 миллисекунды на дом. Остальные 17,5 часов он использует для поездок между домохозяйствами.

Моя гипотеза состоит в том, что ему нужно путешествовать с колоссальные 8,2 миллиона километров в час, или 0,8% скорости света, чтобы сбросить все подарки.

Как мы можем измерить скорость Деда Мороза с помощью носа Рудольфа?

Предположим, мы хотим реально измерить скорость путешествия Деда Мороза, чтобы увидеть, соответствует ли она гипотезе.

Стандартная камера контроля скорости не справится с этой задачей. Но на Земле есть телескопы, которые могут измерить цвет чего-либо с помощью спектроскопии.

Руководство Деда Мороза У оленя Рудольфа знаменитый рубиново-красный нос. Если бы мы могли наблюдать Деда Мороза в телескопы, мы могли бы использовать цвет носа Рудольфа для измерения его скорости с помощью эффекта Доплера, который описывает, как скорость влияет на длину волны. Это потому, что нос Рудольфа не выглядел бы таким красным, если бы он ехал на высокой скорости.

Что такое эффект Доплера? Хорошим примером является звук машины скорой помощи. Когда он проходит мимо вас на улице, его звук становится выше по мере приближения и ниже, когда он уезжает. Это связано с тем, что по мере того, как машина скорой помощи приближается к вам, звуковые волны сжимаются до более короткой длины, а более короткая длина волны означает более высокий тон.

То же самое происходит со светом. Если источник света удаляется от вас, длина волны растягивается и становится более красной или «смещенной в красную сторону». Если источник света движется к вам, длина волны сжимается, и свет становится более синим или с синим смещением.

Предположим, Дед Мороз предпочел бы доставлять подарки быстро, чтобы он мог расслабиться с молоком и печеньем в конце ночи. Он заставляет своих оленей бежать гораздо быстрее, чем я предполагал, со скоростью 10% от скорости света или 107 миллионов километров в час.

На такой скорости нос Рудольфа сменил бы цвет на ярко-оранжевый (624 нанометра), когда он летел к вашему дому.

И по мере того, как он удалялся, оно смещалось в очень темно-красный цвет (763 нанометра). Самый темный красный цвет, который могут видеть глаза человека, составляет около 780 нанометров. На таких скоростях нос Рудольфа был бы почти черным.

Эффект Доплера играет важную роль в астрономии

Астрономы используют эффект Доплера для измерения того, как объекты движутся в космосе. Мы можем использовать его, чтобы увидеть, вращается ли звезда вокруг другой звезды – так называемая двойная система.

Мы также можем использовать его для поиска экзопланет (планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от нашего Солнца), используя метод, называемый «лучевой скоростью». Мы даже можем использовать его для измерения расстояний до далеких галактик.

Есть некоторые вещи, которые наука просто не может объяснить, и одна из них — волшебство Деда Мороза. Но если астрономы когда-нибудь поймают Рудольфа в свои телескопы, они обязательно сообщат всем об этом.

Лаура Николь Дриссен, научный сотрудник в области радиоастрономии, Сиднейский университет

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.