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)
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