在每年的平安夜上， 散落在世界各地的孩子們都在期盼著一位留著花白鬍子的老爺爺從北極出發， 駕著一輛由會飛的馴鹿拉著的載滿了禮物的神奇雪橇，
慢著， 大人們先別著急否定。 今天是耶誕節， 任性的相信一回好像也無傷大雅。 但是， 作為一名科學愛好者， 假裝聖誕老人的存在或許並不難， 難的是如何說服自己這位圓滾滾的老爺爺能一夜之間給千家萬戶送去禮物呢？讓我們從物理學的角度， “超正經”的來分析一下——這到底可不可能！
首先， 聖誕老人面臨的第一個問題是——工作量巨大！據統計， 2017年全球人口數量已經超過75億， 其中約27%是兒童， 也就是說兒童數量在20億左右。 假設全世界每戶人家平均有3.5個孩子， 那麼聖誕老人需要在一晚內向全世界將近6億家庭配送禮物。
除了這個顯而易見的嚴峻問題之外， 聖誕老人還有另一個麻煩：按規定， 聖誕老人應通過房頂的煙囪進入到住戶家中， 再將快遞安放於聖誕樹下。 可煙囪這種東西已瀕臨滅絕， 因此在訪問住戶時， 聖誕老人很可能會遭遇無路可走的困境。
聖誕老人向物理學家求助！物理學家眉頭一皺， 很快設計出了兩套應對方案。
1
相對論的聖誕老人
相對論是科學史上最革命性的理論之一，
但如果聖誕老人真以這樣瘋狂的速度旅行， 就會導致一定的後果。 首先， 孩子們看不到在夜空中馳騁的聖誕老人， 而很可能看到因切倫科夫輻射而產生的光。 當帶電粒子以超過介質中的光速穿過介質時就會產生這種現象。 由於大氣中的基本成分是氮氣， 光在其中的速度會減慢， 約為在真空中的光速的99.97％。 聖誕老人的行進速度若比這更快， 就會帶電， 接著就會釋放出可見光。
其次， 孩子們會發現， 領頭的那只紅鼻子馴鹿魯道夫載著聖誕老人沖向家裡時，
那麼當聖誕老人以接近光速運動時， 還能鑽進煙囪嗎？要回答這個問題， 我們需要考慮兩個參照系， 即聖誕老人的和我們的。 除此以外， 我們還需貼心的在煙囪的兩邊放上兩個閃爍的小燈A和B， 讓聖誕老人在黑暗中準備降落時能判斷煙囪的邊緣。 我們先假設， 聖誕老人雖胖，
如果聖誕老人以正常的速度運動， 比如每小時100公里， 那麼他會看見AB兩個小燈同時閃爍。 當他的左臂觸碰到A時， 右臂也能碰到B， 完美進入煙囪（上圖1）。 如果聖誕老人以趨近光速的速度行進， 那情況就不一樣了。 從我們的參考系來看， 根據愛因斯坦的相對論， 聖誕老人的寬度會收縮，因此聖誕老人應該更輕鬆的就能進入煙囪（上圖2）。可是，從聖誕老人自己的參考系來說，煙囪正在做反向運動，並且變窄了。如果聖誕老人能同時看到A和B同時閃爍，那這就意味著，對他來說煙囪已經太小（上圖3）。但，無需擔心，從聖誕老人的參考系來說，這兩個小燈是不會同時閃爍的。當A閃爍時，聖誕老人的左邊就會滑入煙囪。直到最後，當煙囪隨著聖誕老人的身體的壓縮繼續向後運動時，B也開始閃爍，聖誕老人的右邊便完美的與煙囪的邊緣契合。於是整個聖誕老人就都溜進去了（上圖4）。
借助相對論，聖誕老人以接近光速運行似乎可以完成這看似不可能的禮物配送任務。但若是以如此高速進入每個房子，駕著馴鹿坐著雪橇的聖誕老人就會與地球大氣每秒因摩擦產生高達幾萬億焦耳的熱能，也就是說他必須配備強大的防熱罩來保護自己和他的馴鹿。
2
薛定諤的聖誕老人
除了相對論，我們還可以換個方案，看看具有許多反直覺現象的量子力學能否幫助聖誕老人完成任務。現在假設聖誕老人具有量子屬性，那麼他既可以被視作為粒子，也可被視作為波。我們無法同時精確地知道他的所在位置。例如在電子的干涉實驗中，如果朝螢幕上的雙縫發射一束電子，電子的波屬性能讓我們觀測到干涉圖樣。可是這對聖誕老人有什麼幫助？我們又沒有一束聖誕老人。
在單電子的雙縫干涉實驗中，我們一次只發送一個電子，但最終也能得到干涉圖樣。因此一個電子必須通過了兩條路徑！科學頑童理查.費恩曼告訴我們，粒子會採用從A地到B地之間所有可能的路徑。顯然，這個計畫似乎很合適......如果聖誕老人從北極出發，採用一切可能的路徑，他就有機會將禮物分別送到每一個家庭。
○ 在費曼的歷史求和理論中，時空中的粒子從A地到B地時，將通過所有可能的路徑。
而且，量子粒子還有另一個超有用的能力，即量子隧穿。舉個例子：恒星中的氫聚變，兩個質子因為都帶正電，因此互相排斥，斥力的存在應防止這兩個粒子在太陽核心區域的高溫下，因過於靠近而發生聚變。但實際上聚變卻發生了——因為量子的屬性讓它們可以“穿過”屏障。這或許可以解決煙囪的問題。
在雙縫干涉實驗中，如果我們在電子穿過其中之一的個縫時對其進行觀測，就不會得到干涉圖樣。因為觀測使得電子的“波函數坍塌”，並確定了電子的位置。或許正是因此，小朋友們才無法“看見”聖誕老人送禮物吧。
這樣看來，量子力學版的聖誕老人不僅可解決高強度的物流問題，還能解決煙囪短缺的問題。前提是他能表現得像單粒子一樣的，並且在送貨過程中，大家都不許偷看喲！
聖誕老人的寬度會收縮，因此聖誕老人應該更輕鬆的就能進入煙囪（上圖2）。可是，從聖誕老人自己的參考系來說，煙囪正在做反向運動，並且變窄了。如果聖誕老人能同時看到A和B同時閃爍，那這就意味著，對他來說煙囪已經太小（上圖3）。但，無需擔心，從聖誕老人的參考系來說，這兩個小燈是不會同時閃爍的。當A閃爍時，聖誕老人的左邊就會滑入煙囪。直到最後，當煙囪隨著聖誕老人的身體的壓縮繼續向後運動時，B也開始閃爍，聖誕老人的右邊便完美的與煙囪的邊緣契合。於是整個聖誕老人就都溜進去了（上圖4）。借助相對論，聖誕老人以接近光速運行似乎可以完成這看似不可能的禮物配送任務。但若是以如此高速進入每個房子，駕著馴鹿坐著雪橇的聖誕老人就會與地球大氣每秒因摩擦產生高達幾萬億焦耳的熱能，也就是說他必須配備強大的防熱罩來保護自己和他的馴鹿。
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薛定諤的聖誕老人
除了相對論，我們還可以換個方案，看看具有許多反直覺現象的量子力學能否幫助聖誕老人完成任務。現在假設聖誕老人具有量子屬性，那麼他既可以被視作為粒子，也可被視作為波。我們無法同時精確地知道他的所在位置。例如在電子的干涉實驗中，如果朝螢幕上的雙縫發射一束電子，電子的波屬性能讓我們觀測到干涉圖樣。可是這對聖誕老人有什麼幫助？我們又沒有一束聖誕老人。
在單電子的雙縫干涉實驗中，我們一次只發送一個電子，但最終也能得到干涉圖樣。因此一個電子必須通過了兩條路徑！科學頑童理查.費恩曼告訴我們，粒子會採用從A地到B地之間所有可能的路徑。顯然，這個計畫似乎很合適......如果聖誕老人從北極出發，採用一切可能的路徑，他就有機會將禮物分別送到每一個家庭。
○ 在費曼的歷史求和理論中，時空中的粒子從A地到B地時，將通過所有可能的路徑。
而且，量子粒子還有另一個超有用的能力，即量子隧穿。舉個例子：恒星中的氫聚變，兩個質子因為都帶正電，因此互相排斥，斥力的存在應防止這兩個粒子在太陽核心區域的高溫下，因過於靠近而發生聚變。但實際上聚變卻發生了——因為量子的屬性讓它們可以“穿過”屏障。這或許可以解決煙囪的問題。
在雙縫干涉實驗中，如果我們在電子穿過其中之一的個縫時對其進行觀測，就不會得到干涉圖樣。因為觀測使得電子的“波函數坍塌”，並確定了電子的位置。或許正是因此，小朋友們才無法“看見”聖誕老人送禮物吧。
這樣看來，量子力學版的聖誕老人不僅可解決高強度的物流問題，還能解決煙囪短缺的問題。前提是他能表現得像單粒子一樣的，並且在送貨過程中，大家都不許偷看喲！