Mysteriet om hur jultomten kan leverera presenter till 700 miljoner barn på en natt, passa ner i skorstenen och anlända utan att synas eller höras har "lösts" av en fysiker vid University of Exeter.

Tomten och hans renar zoomar runt i världen med sådan hastighet att - enligt relativitetsteorin - skulle de krympa, gör det möjligt för julfadern och en enorm säck med presenter att passa ner i skorstenar.

Dr Katy Sheen, en fysiker vid geografiavdelningen vid University of Exeter, har också hittat en vetenskaplig förklaring till varför tomten inte hörs anlända av barn, och varför de sällan ser honom på julafton.

Hon kommer att förklara för barn vid University of Exeter (onsdag den 14 december), att tomtens smygleverans delvis förklaras av den speciella relativitetsteorin som Albert Einstein tagit fram, som Dr Sheen tror har en övergående likhet med tomten.

Relativitetsteorin förklarar hur jultomten kan passa ner i skorstenen. I de hastigheter han behöver resa för att leverera presenter till varje barn, Julfadern krymper - eller blir tunnare - i den riktning han reser. Och han måste vara försiktig så att han inte stannar för en köttfärspaj i en skorsten, eller han kan växa tillbaka till full storlek!

Dr Sheen kommer att berätta för barn vid University of Exeters Science of Christmas Festival onsdagen den 14 december att relativitet också förklarar varför julfadern inte verkar ha åldrats genom tiderna, eftersom relativitet kan sakta ner klockorna.

När Dr Sheen var sju år gammal skrev hon ett brev till jultomten och frågade varför han aldrig blev äldre (brev bifogat). Hon fick ett svar med skakig handstil som sa att det var "all magi". Men den spirande fysikern var inte övertygad och ville ha en rationell förklaring - vilket hon 26 år senare nu har hittat.

Som ett bevis på hur julfaders enormt snabba leveransomgång har hållit åren utanför honom, hon kommer att presentera en bild av St Nicholas från 1901 och ett foto från i år för barnen vid hennes tal.

Fysikern har beräknat att tomten och hans renar skulle behöva resa i cirka 10 miljoner kilometer i timmen för att leverera presenter till varje barn som förväntas fira jul om 31 timmar (med hänsyn till världens tidszoner).

Om miljontals barn har varit bra, och förtjänar större strumpor, han kan behöva resa ännu snabbare. Sådan hastighet skulle få honom att byta från rött till grönt och, vid högre hastigheter, han skulle försvinna! Barn skulle inte kunna känna igen honom som han skulle se ut som en regnbågsfärgad oskärpa, så småningom försvinner för det mänskliga ögat.

Reser på mer än 200, 000 gånger snabbare än Usain Bolt, världens snabbaste man, fysikens lagar förklarar varför julafton sällan ses av barn medan de levererar presenter.

Doppler -effekten skulle få tomten att ändra färg eftersom ljusvågorna han släpper skulle klämmas i så hög hastighet.

Dopplereffekten förklarar också varför barn inte kan höra jultomten komma. När tomten och hans släde närmar sig, ljudet av klockor och hans djupa 'ho, ho, ho 'skulle bli högre och högre (som när en ambulanssiren susar förbi) och sedan bli helt tyst, eftersom han skulle röra sig utanför mänsklig hörsel. Även ljudet av tomten som uppmanade Rudolph skulle bli oigenkännligt, och sedan ohörbart för det mänskliga örat.

Om barn hör en smäll på julafton, det kanske inte är ljudet av tomten som tappar sina presenter, landar på deras tak i hans släde, eller glida nerför skorstenen med en plopp. Tomtens renar kunde ha brutit ljudets hastighet, vilket resulterar i en "sonisk boom".

Dr Sheen, en fysiker som arbetar vid University of Exeters Geografiska avdelning, planerar inte att presentera sin forskning för en fackgranskad tidskrift (den är förberedd med festlig anda i åtanke), och har gjort beräkningarna i sin egen tid för att intressera barn för vetenskap och fysik.

Sheen kommer att demonstrera effekten av Doppler -effekten - vilket skulle göra tomten i stand att leverera sina presenter utan upptäckt - genom att låta barnen lyssna på ljudet av en snabb ambulans, även om det är mycket långsammare än julfadern och hans släde.

Doppler -effekten är ansvarig för att göra en siren, till exempel på en ambulans eller en polisbil, öka tonhöjden när den kommer mot dig och sänka den när den kör iväg. Detta beror på att våglängden ändras när den rör sig mot och bort från dig.

Dr Sheen beräknade hur snabbt jultomten skulle behöva resa genom att räkna ut antalet hushåll som troligen kommer att fira jul runt om i världen, tillsammans med antalet barn som sannolikt kommer att finnas i dem. Hon hoppas att hennes förklaring till tomtens smygleveranssystem - och därför hans existens - kommer att inspirera barn att intressera sig mer för fysik, och sätt ett vetenskapssats på listan över presenter de vill ha i sina strumpor.

"Att besöka cirka 700 miljoner barn på 31 timmar skulle innebära att han skulle behöva resa i 10 miljoner kilometer i timmen för att kunna leverera presenter till varje barn, "Dr Sheen sa." Hur lyckas tomten nå dessa fenomenala hastigheter? Tja, det är magi! Dock, han skulle säkert behöva mycket bränsle - så glöm inte hans glas sherry, en köttfärspaj eller två och några morötter till renarna! "