周乾

每年冬至正午前后，乾清宮大殿內(nèi)“正大光明”匾額及下方金龍由西向東依次被點(diǎn)亮，發(fā)出金色光芒

坐北朝南的建筑布局

冬至日的陽(yáng)光能夠照射在乾清宮內(nèi)正大光明匾額上，其首要前提是乾清宮坐北朝南的建筑布局方式。這種布局方式的特點(diǎn)為：建筑的長(zhǎng)度方向與東西向平行，寬度方向與南北向平行，南立面每間房均開設(shè)隔扇門或檻窗，北立面一般只在明間開設(shè)用于出入通道的隔扇門。這種建筑布局方式有利于乾清宮建筑內(nèi)部采光。

因?yàn)楸本┪挥诒被貧w線以北，相對(duì)于地球而言，太陽(yáng)從東南向升起，從西南向降落，終年都是由偏南方向照射，因而建筑的南立面利于采光。不僅如此，夏季的太陽(yáng)高度角較大，陽(yáng)光不宜照射入建筑內(nèi)部，可避免內(nèi)部過熱過亮;而冬季太陽(yáng)高度角較小，當(dāng)建筑南部開設(shè)門窗時(shí)，利于太陽(yáng)光充分照射入建筑內(nèi)部，也有利于避免內(nèi)部過冷過暗。這里的太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)照射方向與地平面的夾角。

“坐北朝南”是紫禁城重要宮殿的布局方式。不僅僅乾清宮，紫禁城中軸線上所有建筑的布局方式均為坐北朝南。《周易·說卦》有：“圣人南面而聽天下，向明而治”，意思就是古圣先王坐北朝南而聽治天下，面向光明的陽(yáng)光而治理天下。由此可反映古代帝王對(duì)坐北朝南建筑布局方式的重視。

北京四合院也大多采用坐北朝南的建筑布局（圖片來(lái)源/維基百科）

坐北朝南的建筑布局利于南立面采光

冬至日的最小太陽(yáng)高度角

正午時(shí)分（即12點(diǎn)）的太陽(yáng)高度角，屬冬至日在一年中最小，有利于陽(yáng)光照射到乾清宮深處。每天正午時(shí)分，太陽(yáng)處于正南方位，照射方向與乾清宮殿內(nèi)正中位置垂直，為陽(yáng)光反射到正大光明匾額上提供了良好的條件。然而在一年中，每天正午時(shí)分的太陽(yáng)高度角并不相同。已知在夏至日，由于太陽(yáng)高度角過大，陽(yáng)光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻擋，僅照射在門口，未能進(jìn)入殿內(nèi)，因而夏天乾清宮內(nèi)并不會(huì)很熱（夏涼）;在冬至日，由于太陽(yáng)高度角很小，陽(yáng)光很容易穿過屋檐照射到殿內(nèi)深處（冬暖），且反射到正大光明匾額位置上。

正午時(shí)分陽(yáng)光照射乾清宮示意圖

知識(shí)鏈接

金磚是金子做的嗎？

金磚屬于土質(zhì)方磚的一種，產(chǎn)地源于蘇州城北的陸慕鎮(zhèn)余窯村。這個(gè)地方的土質(zhì)源于陽(yáng)澄湖底的泥，土質(zhì)細(xì)膩、含膠狀體豐富、可塑性強(qiáng)，加工制作的磚顆粒細(xì)膩，質(zhì)地致密堅(jiān)硬，且造價(jià)昂貴，因而民間稱為“金磚”。澆筑桐油的金磚地面堅(jiān)固密實(shí)，其光亮的表面經(jīng)過陽(yáng)光照射后，易形成鏡面反射。

金磚地面的鏡面反射

陽(yáng)光照在任何物體表面都會(huì)產(chǎn)生反射。相比而言，表面光澤性越強(qiáng)的物體越會(huì)產(chǎn)生鏡面反射，表面較為粗糙的物體則會(huì)產(chǎn)生漫反射。

鏡面反射的特點(diǎn)在于：太陽(yáng)光（可近似認(rèn)為是平行光）照射到物體表面后，仍以平行光方式產(chǎn)生反射，且反射角與入射角相等。

漫反射的特點(diǎn)在于：太陽(yáng)光照射到物體表面后，盡管仍產(chǎn)生反射、入射角與反射角相等，但是朝不同方向產(chǎn)生反射，因而不會(huì)產(chǎn)生光線會(huì)聚現(xiàn)象。

對(duì)于乾清宮而言，其門口部位采用的是表面較為粗糙的花斑石地面，因而產(chǎn)生的是漫反射;其殿內(nèi)采用的是金磚地面，其表面如鏡般光亮，因而產(chǎn)生鏡面反射，且反射后的光束可集中會(huì)聚到殿內(nèi)相應(yīng)的位置。冬至日正午時(shí)分的陽(yáng)光能夠反射到殿內(nèi)的正大光明匾額正中，金磚地面的鏡面反射功能無(wú)疑起到了關(guān)鍵作用。

東升西落的太陽(yáng)照射

由于地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí)，還自西向東自轉(zhuǎn)，因而太陽(yáng)相對(duì)于地球而言，每天做東升西落的運(yùn)動(dòng)。

光亮的金磚表面被陽(yáng)光照射后，易產(chǎn)生鏡面反射

此外，由于冬天的赤緯角低，因而太陽(yáng)升起降落的方向是從東南向升起、在西南向降落。陽(yáng)光照射到乾清宮內(nèi)部的位置隨著太陽(yáng)位置的變化而變化。冬至日，在正午前，太陽(yáng)位置在乾清宮的東南側(cè)，陽(yáng)光的照射方向?yàn)槲鞅毕颍蚨紫赛c(diǎn)亮“正”字及西邊的龍;在正午時(shí)，太陽(yáng)的位置在乾清宮的正南側(cè)，陽(yáng)光照射的方向?yàn)楸毕颍蚨按蟆弊值臇|側(cè)及下方正中間部位的龍最亮;正午后，太陽(yáng)的位置在乾清宮的西南側(cè)，陽(yáng)光照射的方向?yàn)闁|北向，因而“明”字及下方最東側(cè)的龍最亮。由上可知，冬至日的正午前后，陽(yáng)光由西向東依次點(diǎn)亮“正大光明”字樣及下方的五條龍。

屋檐起翹不僅增加造型之美，而且利于建筑內(nèi)部采光

陽(yáng)光照射乾清宮“正大光明”匾額及下方金龍示意圖

屋檐起翹的古代科學(xué)

屋檐起翹有利于光線的射入。紫禁城古建筑屋頂檐部向外挑出（一般為柱高的1/3），并略帶上翹的弧度，形成優(yōu)美的曲線，這種曲線形屋面檐口上翹的做法，稱為挑檐做法。挑檐做法不僅增加了建筑的造型之美，而且遮蔽陽(yáng)光少，有利于建筑內(nèi)部的采光。紫禁城古建筑屋檐起翹的斜度一般在26°～30°之間，這個(gè)角度非常接近于地球公轉(zhuǎn)的黃道面與赤道面形成的夾角（黃赤交角），可反映古人表達(dá)“天人合一”的寓意。不僅如此，屋檐起翹的角度與冬至日正午的太陽(yáng)高度角幾乎相等。對(duì)于乾清宮而言，屋檐起翹使得冬至日正午的陽(yáng)光能夠照射到建筑內(nèi)部深處。而在正午時(shí)分，這種照射的范圍達(dá)到最大值，不僅使得殿內(nèi)不至于過冷，而且有利于陽(yáng)光通過金磚地面反射到正大光明匾額上。

乾清宮坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午時(shí)分最低的太陽(yáng)高度角，光亮金磚地面的反射作用，太陽(yáng)相對(duì)地球東升西落的運(yùn)行規(guī)律，以及科學(xué)合理的屋檐起翹角度，使得乾清宮正大光明匾額及下方的五條金龍?jiān)诙寥盏恼绫灰来吸c(diǎn)亮。這么多專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)在乾清宮的科學(xué)運(yùn)用，無(wú)不反映出古代工匠卓越的建筑智慧。

（責(zé)任編輯/陳天昊 美術(shù)編輯/李子夜）