颐和园十七孔桥“金光穿洞”背后的多重智慧

位于北京颐和园的十七孔桥，是建造于清乾隆年间的一座石桥。桥全长150米，宽8米，包含17个拱形桥洞。其东西向跨过昆明湖，两端分别连接廓如亭和南湖岛，是颐和园内的最长桥梁。十七孔桥不仅造型优美，而且在每年冬至日的傍晚时分，会呈现“金光穿洞”的奇观：观众站在桥的西北侧，可以看到金色的落日余晖逐渐“穿过”桥洞，犹如在桥洞内点满明灯，仿佛打开了时空穿越之门。十七孔桥的“金光穿洞”景观，与太阳高度角、太阳方位角、太阳光散射、桥体本身的建造艺术等因素密切相关。

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。所谓太阳高度角，即太阳光入射方向和目标地平面的夹角。研究表明，目标位置的太阳高度角与其所处的纬度、日期、时间等因素密切相关。在一年中，冬至日的太阳高度角最小。而在冬至日，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；中午12时，27度，太阳高度角达到一天的最大值；傍晚16时，8度，阳光略高于湖水面，之后继续减小，直至阳光落到地平面以下。不难发现，在傍晚时分，正是太阳西落之时，太阳高度角很小，阳光照射方向几乎与湖面平行，有利于光线直接照射到桥洞内壁上，进而产生“金光穿洞”的效果。

傍晚时分的太阳方位角，为“金光穿洞”提供了适宜的照射角度。所谓太阳方位角，即太阳照射方位在地面投影的角度。该角度以目标位置的正北方为起始方向，以太阳的入射方向为终止方向，按照顺时针方向逐渐增大。研究表明，目标位置的太阳方位角亦与其所处的纬度、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；傍晚16时，即“金光穿洞”发生时刻，231度，太阳位于桥的西南侧。且从早到晚，太阳光线与桥的夹角，呈现由小变大再变小的特点。

由于十七孔桥并非为完全东西向，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。在该时段，观众站在桥的西北侧，一方面由于桥的阻挡，避免了阳光直射眼睛；另一方面观众视线朝东南方向，可以看到桥洞东侧内壁的金光。随着太阳继续向西相对运动，太阳方位角进一步增大，使得光线与桥体夹角进一步减小。相应的，照射到桥洞东侧内壁的阳光量逐渐减小，进而形成阳光“穿”洞的视觉效果。

太阳光在空气中的散射作用，为“金光穿洞”提供了适宜的色彩来源。太阳光需要穿过大气层才能到达地面。期间，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、紫等7种单色光组成，其频率依次增大、波长依次减小。研究表明，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。由上可知，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，产生了非常明显的散射。

对于不同的单色光而言，青、蓝、紫等波长较短的光在大气中产生了散射，仅有红、橙、黄等波长较长的光达照射到桥体。快到日落时，上述照射到拱桥的单色光，其混合色呈现金黄色，使得桥体产生“金光穿洞”效果。而随着温度的降低，阳光所需穿透的大气层厚度增加，橙、黄等单色光亦产生散射。到日落时分，照射到石拱桥的阳光则以红色光为主，使得桥洞呈现红色效果。类似光照效果，可见唐代诗人白居易的《登阊门闲望》：“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。十七个拱圈呈对称分布，洞口尺寸由中间向两边称逐渐减小，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。

综上可知，颐和园十七孔桥“金光穿洞”的奇观，是古代工匠的神来之笔，是天文地理知识与营园造桥艺术的完美结合。

(科技日报 作者：周乾 系故宫博物院研究馆员)