每年的冬至日，太阳光直射南回归线，会有一些难得的景色出现，在正午时分，故宫乾清宫内的正大光明匾额，会由西向东被阳光照亮，发出金色的光芒；而在黄昏时分，颐和园十七孔桥的桥洞会被金色的余晖穿过，仿佛打开了时空穿越之门。
正午时分阳光照射乾清宫示意图
冬至日太阳高度角立面示意图
金匾如何被“点亮”
乾清宫内“正大光明”匾额在冬至日被“点亮”，与乾清宫的建筑布局、太阳高度角、金砖地面的反射、太阳东升西落的规律、屋檐出挑做法等多个因素密切相关。
乾清宫坐北朝南的建筑布局形式，是“点亮金匾”的重要前提。建筑的长度方向与东西向平行，宽度方向与南北向平行，南立面每间房均开设隔扇门或槛窗，北立面一般只在明间开设用于出入通道的隔扇门。北京位于北回归线以北，因此我们看到，太阳自东南向升起，西南向降落，终年都是由偏南方向照射，因而建筑的南立面利于采光。不仅仅乾清宫，紫禁城中轴线上所有建筑的布局方式均为坐北朝南。《周易》有：“圣人南面而听天下，向明而治。”可见古人对坐北朝南建筑布局方式的重视。
冬至日的太阳高度角，是“点亮金匾”的必备条件。太阳高度角是太阳照射方向与地平面的夹角。每天正午时分，太阳处于正南方位，为阳光照射到正大光明匾额提供了良好条件。在一年中，每天正午时分的太阳高度角并不相同，就北京而言，夏至日的太阳高度角最大，约为73度；冬至日的太阳高度角最小，约为27度。在夏至日正午，由于太阳高度角过大，阳光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻挡，仅照射在门口，未能进入殿内，因而夏天乾清宫内并不会很热（夏凉）；在冬至日正午，由于太阳高度角很小，阳光很容易越过屋檐照射到殿内深处（冬暖），且反射到正大光明匾额位置。
乾清宫内的金砖地面，是“点亮金匾”的另一个因素。金砖产于苏州城北的陆慕镇余窑村，铺墁工艺苛刻复杂，其中包含“使灰钻油”工序，在铺墁完的砖面层上分3次浇筑桐油：第1次在干透的地面上刷生桐油1-2遍，第2次用麻丝搓1-2遍灰油，第3次刷1-2遍光油。浇筑后的金砖地面坚固密实，光亮如镜。冬至日正午的阳光照射在金砖地面，产生了镜面反射，反射后的光束汇聚到“正大光明”匾额，以及下方的五条金龙位置，使其熠熠生辉。
冬至日的正午前后，阳光由西向东依次点亮匾额的“明”“光”“大”“正”字样，及下方的五条龙。为什么会形成这样的次序呢？从地球上看，太阳每日东升西落。冬至日这天，正午前太阳位置在乾清宫的东南侧，阳光的照射方向为西北向，因而首先点亮“明”字及西边的龙；在正午时，太阳的位置在乾清宫的正南侧，阳光照射的方向为正北，“光”“大”字及下方正中间部位的龙最亮；正午后，太阳的位置在乾清宫的西南侧，阳光照射的方向为东北向，因而“正”字及下方最东侧的龙最亮。
乾清宫出挑的屋檐，是“点亮金匾”的助力神器。故宫古建筑屋顶檐部向外挑出，使得屋面形成优美的曲线，称为挑檐做法。故宫古建筑屋面檐口出挑的尺寸，一般为柱高的1/3左右。这不仅增加了建筑的造型之美，而且有利于控制光线照射范围，即太阳高度角较大时（夏天），进入室内的光线少；太阳高度角小时（冬天），进入室内的光线多。
“金光穿洞”的秘密
颐和园十七孔桥在冬至日“金光穿洞”奇观，每年都吸引众多游人，为什么会形成这一美景呢？
傍晚时分的太阳高度角，为“金光穿洞”提供了适宜的光线高度。在冬至日，太阳高度角随着太阳的东升西落，呈现由小到大再到小的变化过程。在不同时间段，十七孔桥处的太阳高度角近似值分别为：上午8时，4度，并逐渐增大；中午12时，27度，太阳高度角达到一天的最大值，并逐渐减小；傍晚16时，8度，阳光略高于湖水面，并继续减小，直至太阳落到地平面以下。不难发现，黄昏时分，太阳高度角很小，阳光照射方向几乎与湖面平行，有利于光线直接射入到桥洞内壁上，产生“金光穿洞”的效果。
黄昏时分的太阳方位角，为“金光穿洞”提供了适宜的照射角度。太阳方位角，即太阳照射方位在地面投影的角度，这一角度以目标位置的正北方为起始方向，太阳的入射方向为终止方向，按照顺时针方向逐渐增大。目标位置的太阳方位角与其所处的纬度、日期、时间等因素密切相关。十七孔桥所处纬度约为北纬40度，在冬至日的不同时间段，太阳方位角近似值分别为：上午8时，125度，太阳位于桥的东南侧；中午12时，177度，太阳位于桥的南侧；黄昏16时，即“金光穿洞”发生时刻，231度，太阳位于桥的西南侧。
十七孔桥并非完全东西向，而是东端略偏南、西端略偏北，这使得傍晚的阳光并非完全穿过桥洞，部分光线照射到了每个桥洞的东侧内壁上。黄昏时段，如果站在桥的西北侧，可以看到桥洞东侧内壁的金光。随着太阳方位角进一步增大，光线与桥体夹角进一步减小，照射到桥洞东侧内壁的阳光量逐渐减小，最终形成阳光“穿洞”的视觉效果。
黄昏时分阳光的散射作用，为“金光穿洞”提供了适宜的色彩来源。太阳光穿过大气层到达地面，大气层对阳光具有散射作用。即在大气中的气体分子、悬浮微粒的作用下，太阳光不能直线前进，而是四面八方分散射开，产生散射现象。太阳光为复色光，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种单色光组成，其频率依次增大、波长依次减小，波长越短的光，越容易散射；大气层厚度越大，光线越容易散射。傍晚的温度比白天低，大气层比白天更厚，阳光穿过厚厚的大气层到达地球表面时，会发生更加明显的散射。
太阳光在黄昏时分抵达十七孔桥的时候，为什么桥洞呈现的是橙黄色的光芒呢？原来，太阳光中青、蓝、紫等波长较短的光在大气中产生了大量散射，而红、橙、黄等波长较长的光大量抵达桥体。因此快到日落时，红、橙、黄混合呈现金黄色，照射在桥洞中，呈现出美不胜收的“金光穿洞”效果。而且随着夕阳西下，金光的色彩又在不断发生变化。到日落时分，阳光穿透的大气层厚度增加，橙、黄等单色光亦产生散射，照射到桥体的阳光以红色光为主，桥洞呈现出“红光穿洞”的效果。就像唐代诗人白居易在《登阊门闲望》中说的那样：“阊闾城碧铺秋草，鸟鹊桥红带夕阳。”
十七孔桥的建造艺术，为“金光穿洞”提供了极佳的光线载体。从立面看，石拱桥由桥面、拱圈、桥墩等部分组成。其中，桥面为优雅的抛物线形，犹如湖面上的一道优美曲线，呈现长虹卧波的视觉效果。17个拱圈呈对称分布，洞口尺寸由中间向两边逐渐减小，产生极强的韵律感。各拱圈通过石块的堆叠，产生侧向挤压力，不仅有力地支撑了桥面传来的重量，并将该重量传递给桥墩，而且圆弧状的拱洞产生柔和圆润之感，凸显拱圈的曲线之美。硕大的方形桥墩与柔美的弧形拱圈和谐一体，形成力与美的巧妙融合。不仅如此，桥体为实，桥洞为虚，金色的光芒穿过桥洞，照射在内壁上，增添了桥体如梦如幻的意境，凸显出十七孔桥的建筑之美。
（作者单位：故宫博物院）
来源：北京日报 作者 周乾
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