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150米，寬8米，包含17個拱形橋洞。其東西向跨過昆明湖，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分，會呈現(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”橋洞，猶如在橋洞內(nèi)點滿明燈，仿佛打開了時空穿越之門。十七孔橋的“金光穿洞”景觀，與太陽高度角、太陽方位角、太陽光散射、橋體本身的建造藝術等因素密切相關。
傍晚時分的太陽高度角，為“金光穿洞”提供了適宜的光線高度。所謂太陽高度角，即太陽光入射方向和目標地平面的夾角。研究表明，目標位置的太陽高度角與其所處的緯度、日期、時間等因素密切相關。在一年中，冬至日的太陽高度角最小。而在冬至日，太陽高度角隨著太陽的東升西落，呈現(xiàn)由小到大再到小的變化過程。在不同時間段，十七孔橋處的太陽高度角近似值分別為：上午8時，4度；中午12時，27度，太陽高度角達到一天的最大值；傍晚16時，8度，陽光略高于湖水面，之后繼續(xù)減小，直至陽光落到地平面以下。不難發(fā)現(xiàn)，在傍晚時分，正是太陽西落之時，太陽高度角很小，陽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，進而產(chǎn)生“金光穿洞”的效果。
傍晚時分的太陽方位角，為“金光穿洞”提供了適宜的照射角度。所謂太陽方位角，即太陽照射方位在地面投影的角度。該角度以目標位置的正北方為起始方向，以太陽的入射方向為終止方向，按照順時針方向逐漸增大。研究表明，目標位置的太陽方位角亦與其所處的緯度、日期、時間等因素密切相關。十七孔橋所處緯度約為北緯40度，在冬至日的不同時間段，太陽方位角近似值分別為：上午8時，125度，太陽位于橋的東南側(cè)；中午12時，177度，太陽位于橋的南側(cè)；傍晚16時，即“金光穿洞”發(fā)生時刻，231度，太陽位于橋的西南側(cè)。且從早到晚，太陽光線與橋的夾角，呈現(xiàn)由小變大再變小的特點。
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，這使得傍晚的陽光并非完全穿過橋洞，部分光線照射到了每個橋洞的東側(cè)內(nèi)壁上。在該時段，觀眾站在橋的西北側(cè)，一方面由于橋的阻擋，避免了陽光直射眼睛；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。隨著太陽繼續(xù)向西相對運動，太陽方位角進一步增大，使得光線與橋體夾角進一步減小。相應的，照射到橋洞東側(cè)內(nèi)壁的陽光量逐漸減小，進而形成陽光“穿”洞的視覺效果。
太陽光在空氣中的散射作用，為“金光穿洞”提供了適宜的色彩來源。太陽光需要穿過大氣層才能到達地面。期間，大氣層對陽光具有散射作用。即在大氣中的氣體分子、懸浮微粒作用下，太陽光不能直線前進，而是四面八方分散射開，產(chǎn)生散射現(xiàn)象。太陽光為復色光，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等7種單色光組成，其頻率依次增大、波長依次減小。研究表明，波長越短的光，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，陽光穿過厚厚的大氣層到達地球表面時，產(chǎn)生了非常明顯的散射。
對于不同的單色光而言，青、藍、紫等波長較短的光在大氣中產(chǎn)生了散射，僅有紅、橙、黃等波長較長的光達照射到橋體�？斓饺章鋾r，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。到日落時分，照射到石拱橋的陽光則以紅色光為主，使得橋洞呈現(xiàn)紅色效果。類似光照效果，可見唐代詩人白居易的《登閶門閑望》：“閶閭城碧鋪秋草，鳥鵲橋紅帶夕陽”。
十七孔橋的建造藝術，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)長虹臥波的視覺效果。十七個拱圈呈對稱分布，洞口尺寸由中間向兩邊稱逐漸減小，產(chǎn)生極強的韻律感。各拱圈通過石塊的堆疊，產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，不僅有力地支撐橋面?zhèn)鱽淼闹亓�，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，橋洞為虛，金色的光芒穿過橋洞，照射在內(nèi)壁上，增添了橋體如夢如幻的意境，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，是古代工匠的神來之筆，是天文地理知識與營園造橋藝術的完美結合。
(科技日報 作者：周乾 系故宮博物院研究館員)
