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)稱分布,洞口尺寸由中間向兩邊稱逐漸減小,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)