在每年的平安夜上，散落在世界各地的孩子们都在期盼着一位留着花白胡子的老爷爷从北极出发，驾着一辆由会飞的驯鹿拉着的载满了礼物的神奇雪橇，为他们送上圣诞礼物。这位老爷爷就是圣诞老人。天真烂漫的孩子们总会有这样的疑问：圣诞老人真的存在吗？
慢着，大人们先别着急否定。今天是圣诞节，任性的相信一回好像也无伤大雅。但是，作为一名科学爱好者，假装圣诞老人的存在或许并不难，难的是如何说服自己这位圆滚滚的老爷爷能一夜之间给千家万户送去礼物呢？让我们从物理学的角度，“超正经”的来分析一下——这到底可不可能！
首先，圣诞老人面临的第一个问题是——工作量巨大！
据统计，2017年全球人口数量已经超过75亿，其中约27%是儿童，也就是说儿童数量在20亿左右。假设全世界每户人家平均有3.5个孩子，那么圣诞老人需要在一晚内向全世界将近6亿家庭配送礼物。好消息是，由于每个国家所处的时区不同，因此圣诞老人共有31个小时完成平安夜的全球礼物配送任务。如此算来，圣诞老人每秒至少要给5376个家庭送去礼物。
这意味着，圣诞老人在每户驻留的时间不能超过0.19毫秒，这是远超双11期间的物流挑战！
除了这个显而易见的严峻问题之外，圣诞老人还有另一个麻烦：按规定，圣诞老人应通过房顶的烟囱进入到住户家中，再将快递安放于圣诞树下。可烟囱这种东西已濒临灭绝，因此在访问住户时，圣诞老人很可能会遭遇无路可走的困境。
圣诞老人向物理学家求助！物理学家眉头一皱，很快设计出了两套应对方案。
1. 相对论的圣诞老人
相对论是科学史上最革命性的理论之一，它告诉我们，运动的速度越快，时间流逝的越慢。这意味着如果圣诞老人在派送礼物时的运动速度越接近光速，他就能为自己争取到更多的配送时间。
但如果圣诞老人真以这样疯狂的速度旅行，就会导致一定的后果。首先，孩子们看不到在夜空中驰骋的圣诞老人，而很可能看到因切伦科夫辐射而产生的光。当带电粒子以超过介质中的光速穿过介质时就会产生这种现象。由于大气中的基本成分是氮气，光在其中的速度会减慢，约为在真空中的光速的99.97％。圣诞老人的行进速度若比这更快，就会带电，接着就会释放出可见光。
其次，孩子们会发现，领头的那只红鼻子驯鹿鲁道夫载着圣诞老人冲向家里时，鲁道夫的鼻子变得不红了，因为它的颜色将取决于鲁道夫的速度。根据多普勒效应，随着鲁道夫速度的从光速的11%、增加到到17%、再到29%，鼻子的颜色也将从黄色变到蓝色、再到紫色…当它继续加速到光速的45%时，便进入对肉眼隐形的紫外波段。（天文学家就是根据红移或蓝移来判断远处的恒星或星系相对于我们是如何运动的。）
那么当圣诞老人以接近光速运动时，还能钻进烟囱吗？要回答这个问题，我们需要考虑两个参照系，即圣诞老人的和我们的。除此以外，我们还需贴心的在烟囱的两边放上两个闪烁的小灯A和B，让圣诞老人在黑暗中准备降落时能判断烟囱的边缘。我们先假设，圣诞老人虽胖，但是比烟囱窄点儿。
○ 以正常速度（1）和光速（2、3、4）进入烟囱的圣诞老人。
| 图片来源：Tracy Jurinek
如果圣诞老人以正常的速度运动，比如每小时100公里，那么他会看见AB两个小灯同时闪烁。当他的左臂触碰到A时，右臂也能碰到B，完美进入烟囱（上图1）。如果圣诞老人以趋近光速的速度行进，那情况就不一样了。从我们的参考系来看，根据爱因斯坦的相对论，圣诞老人的宽度会收缩，因此圣诞老人应该更轻松的就能进入烟囱（上图2）。可是，从圣诞老人自己的参考系来说，烟囱正在做反向运动，并且变窄了。
如果圣诞老人能同时看到A和B同时闪烁，那这就意味着，对他来说烟囱已经太小（上图3）。但，无需担心，从圣诞老人的参考系来说，这两个小灯是不会同时闪烁的。当A闪烁时，圣诞老人的左边就会滑入烟囱。直到最后，当烟囱随着圣诞老人的身体的压缩继续向后运动时，B也开始闪烁，圣诞老人的右边便完美的与烟囱的边缘契合。于是整个圣诞老人就都溜进去了（上图4）。
借助相对论，圣诞老人以接近光速运行似乎可以完成这看似不可能的礼物配送任务。但若是以如此高速进入每个房子，驾着驯鹿坐着雪橇的圣诞老人就会与地球大气每秒因摩擦产生高达几万亿焦耳的热能，也就是说他必须配备强大的防热罩来保护自己和他的驯鹿。
2. 薛定谔的圣诞老人
除了相对论，我们还可以换个方案，看看具有许多反直觉现象的量子力学能否帮助圣诞老人完成任务。现在假设圣诞老人具有量子属性，那么他既可以被视作为粒子，也可被视作为波。我们无法同时精确地知道他的所在位置。例如在电子的干涉实验中，如果朝屏幕上的双缝发射一束电子，电子的波属性能让我们观测到干涉图样。可是这对圣诞老人有什么帮助？我们又没有一束圣诞老人。
○ 电子束双缝干涉实验。
| 图片来源：Wikimedia Commons
在单电子的双缝干涉实验中，我们一次只发送一个电子，但最终也能得到干涉图样。因此一个电子必须通过了两条路径！科学顽童理查德.费恩曼告诉我们，粒子会采用从A地到B地之间所有可能的路径。显然，这个计划似乎很合适......如果圣诞老人从北极出发，采用一切可能的路径，他就有机会将礼物分别送到每一个家庭。
○ 在费曼的历史求和理论中，时空中的粒子从A地到B地时，将通过所有可能的路径。
而且，量子粒子还有另一个超有用的能力，即量子隧穿。举个例子：恒星中的氢聚变，两个质子因为都带正电，因此互相排斥，斥力的存在应防止这两个粒子在太阳核心区域的高温下，因过于靠近而发生聚变。但实际上聚变却发生了——因为量子的属性让它们可以“穿过”屏障。这或许可以解决烟囱的问题。
在双缝干涉实验中，如果我们在电子穿过其中之一的个缝时对其进行观测，就不会得到干涉图样。因为观测使得电子的“波函数坍塌”，并确定了电子的位置。或许正是因此，小朋友们才无法“看见”圣诞老人送礼物吧。
这样看来，量子力学版的圣诞老人不仅可解决高强度的物流问题，还能解决烟囱短缺的问题。前提是他能表现得像单粒子一样的，并且在送货过程中，大家都不许偷看哟！