位于北京頤和園的十七孔橋，是建造于清乾隆年間的一座石橋。橋全長(zhǎng)150米，寬8米，包含17個(gè)拱形橋洞。其東西向跨過(guò)昆明湖，兩端分別連接廓如亭和南湖島，是頤和園內(nèi)的最長(zhǎng)橋梁。十七孔橋不僅造型優(yōu)美，而且在每年冬至日的傍晚時(shí)分，會(huì)呈現(xiàn)“金光穿洞”的奇觀：觀眾站在橋的西北側(cè)，可以看到金色的落日余暉逐漸“穿過(guò)”橋洞，猶如在橋洞內(nèi)點(diǎn)滿明燈，仿佛打開(kāi)了時(shí)空穿越之門(mén)。十七孔橋的“金光穿洞”景觀，與太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)光散射、橋體本身的建造藝術(shù)等因素密切相關(guān)。

　　傍晚時(shí)分的太陽(yáng)高度角，為“金光穿洞”提供了適宜的光線高度。所謂太陽(yáng)高度角，即太陽(yáng)光入射方向和目標(biāo)地平面的夾角。研究表明，目標(biāo)位置的太陽(yáng)高度角與其所處的緯度、日期、時(shí)間等因素密切相關(guān)。在一年中，冬至日的太陽(yáng)高度角最小。而在冬至日，太陽(yáng)高度角隨著太陽(yáng)的東升西落，呈現(xiàn)由小到大再到小的變化過(guò)程。在不同時(shí)間段，十七孔橋處的太陽(yáng)高度角近似值分別為：上午8時(shí)，4度；中午12時(shí)，27度，太陽(yáng)高度角達(dá)到一天的最大值；傍晚16時(shí)，8度，陽(yáng)光略高于湖水面，之后繼續(xù)減小，直至陽(yáng)光落到地平面以下。不難發(fā)現(xiàn)，在傍晚時(shí)分，正是太陽(yáng)西落之時(shí)，太陽(yáng)高度角很小，陽(yáng)光照射方向幾乎與湖面平行，有利于光線直接照射到橋洞內(nèi)壁上，進(jìn)而產(chǎn)生“金光穿洞”的效果。

　　傍晚時(shí)分的太陽(yáng)方位角，為“金光穿洞”提供了適宜的照射角度。所謂太陽(yáng)方位角，即太陽(yáng)照射方位在地面投影的角度。該角度以目標(biāo)位置的正北方為起始方向，以太陽(yáng)的入射方向?yàn)榻K止方向，按照順時(shí)針?lè)较蛑饾u增大。研究表明，目標(biāo)位置的太陽(yáng)方位角亦與其所處的緯度、日期、時(shí)間等因素密切相關(guān)。十七孔橋所處緯度約為北緯40度，在冬至日的不同時(shí)間段，太陽(yáng)方位角近似值分別為：上午8時(shí)，125度，太陽(yáng)位于橋的東南側(cè)；中午12時(shí)，177度，太陽(yáng)位于橋的南側(cè)；傍晚16時(shí)，即“金光穿洞”發(fā)生時(shí)刻，231度，太陽(yáng)位于橋的西南側(cè)。且從早到晚，太陽(yáng)光線與橋的夾角，呈現(xiàn)由小變大再變小的特點(diǎn)。

　　由于十七孔橋并非為完全東西向，而是東端略偏南、西端略偏北，這使得傍晚的陽(yáng)光并非完全穿過(guò)橋洞，部分光線照射到了每個(gè)橋洞的東側(cè)內(nèi)壁上。在該時(shí)段，觀眾站在橋的西北側(cè)，一方面由于橋的阻擋，避免了陽(yáng)光直射眼睛；另一方面觀眾視線朝東南方向，可以看到橋洞東側(cè)內(nèi)壁的金光。隨著太陽(yáng)繼續(xù)向西相對(duì)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)方位角進(jìn)一步增大，使得光線與橋體夾角進(jìn)一步減小。相應(yīng)的，照射到橋洞東側(cè)內(nèi)壁的陽(yáng)光量逐漸減小，進(jìn)而形成陽(yáng)光“穿”洞的視覺(jué)效果。

　　太陽(yáng)光在空氣中的散射作用，為“金光穿洞”提供了適宜的色彩來(lái)源。太陽(yáng)光需要穿過(guò)大氣層才能到達(dá)地面。期間，大氣層對(duì)陽(yáng)光具有散射作用。即在大氣中的氣體分子、懸浮微粒作用下，太陽(yáng)光不能直線前進(jìn)，而是四面八方分散射開(kāi)，產(chǎn)生散射現(xiàn)象。太陽(yáng)光為復(fù)色光，由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等7種單色光組成，其頻率依次增大、波長(zhǎng)依次減小。研究表明，波長(zhǎng)越短的光，越容易散射；大氣層厚度越大，光線越容易散射。由上可知，傍晚的溫度比白天低，大氣層比白天更厚，陽(yáng)光穿過(guò)厚厚的大氣層到達(dá)地球表面時(shí)，產(chǎn)生了非常明顯的散射。

　　對(duì)于不同的單色光而言，青、藍(lán)、紫等波長(zhǎng)較短的光在大氣中產(chǎn)生了散射，僅有紅、橙、黃等波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光達(dá)照射到橋體�？斓饺章鋾r(shí)，上述照射到拱橋的單色光，其混合色呈現(xiàn)金黃色，使得橋體產(chǎn)生“金光穿洞”效果。而隨著溫度的降低，陽(yáng)光所需穿透的大氣層厚度增加，橙、黃等單色光亦產(chǎn)生散射。到日落時(shí)分，照射到石拱橋的陽(yáng)光則以紅色光為主，使得橋洞呈現(xiàn)紅色效果。類(lèi)似光照效果，可見(jiàn)唐代詩(shī)人白居易的《登閶門(mén)閑望》：“閶閭城碧鋪秋草，鳥(niǎo)鵲橋紅帶夕陽(yáng)”。

　　十七孔橋的建造藝術(shù)，為“金光穿洞”提供了極佳的光線載體。從立面看，石拱橋由橋面、拱圈、橋墩等部分組成。其中，橋面為優(yōu)雅的拋物線形，猶如湖面上的一道優(yōu)美曲線，呈現(xiàn)長(zhǎng)虹臥波的視覺(jué)效果。十七個(gè)拱圈呈對(duì)稱(chēng)分布，洞口尺寸由中間向兩邊稱(chēng)逐漸減小，產(chǎn)生極強(qiáng)的韻律感。各拱圈通過(guò)石塊的堆疊，產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，不僅有力地支撐橋面?zhèn)鱽?lái)的重量，并將該重量傳遞給橋墩，而且圓弧狀的拱洞產(chǎn)生柔和圓潤(rùn)之感，凸顯拱圈的曲線之美。碩大的方形橋墩與柔美的弧形拱圈和諧一體，形成力與美的巧妙融合。不僅如此，橋體為實(shí)，橋洞為虛，金色的光芒穿過(guò)橋洞，照射在內(nèi)壁上，增添了橋體如夢(mèng)如幻的意境，凸顯出十七孔橋的建筑之美。

　　綜上可知，頤和園十七孔橋“金光穿洞”的奇觀，是古代工匠的神來(lái)之筆，是天文地理知識(shí)與營(yíng)園造橋藝術(shù)的完美結(jié)合。

　　(科技日?qǐng)?bào) 作者：周乾 系故宮博物院研究館員)