冬至正午時分乾清宮內正大光明匾被陽光點亮（故宮博物院官網供圖）
每年冬至日前后的正午時分，故宮乾清宮內就會出現一番奇特的景象：大殿內“正大光明”匾額及下方的五條金龍會由西向東依次被陽光點亮，發出金色的光芒。冬至日是古人極其重視的節日，古代帝王會選擇冬至日祭天，以表達“陰極陽生、萬物生長”的祈愿。而乾清宮內正大光明匾額及金龍在冬至日被點亮，也反映了古人在建筑方面的匠心獨運。
乾清宮坐北朝南的建筑方位與太陽照射的方位角相適應，有利于建筑內部合理采光。這種建筑方位的特點為：長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隔扇或檻窗，北立面一般只在明間開設用于出入的隔扇門。“坐北朝南”是紫禁城重要宮殿的布局方式。我國先秦時期儒家經典《周易》之“說卦”載有：“圣人南面而聽天下，向明而治”，即古圣先王坐北朝南而聽治天下，面向陽光而治理天下。其科學原因在于：北京位于北回歸線以北，每年春分到秋分時期，太陽照射的方位是東偏北升起、西偏北降落，建筑內接受日照較少，不至于過熱；而秋分到下一年的春分時期，太陽照射的方位是東偏南升起、西偏南降落，易于大殿內部采光。
冬至日正午時分（12點）的太陽高度角，有利于陽光直射入乾清宮內部。太陽高度角是指太陽照射方向與地平面的夾角。一天之中，太陽高度角日出和日落時分最小，而在正午時分最大。一年之中，太陽高度角亦不斷變化，且與緯度密切相關。北京地區所在的緯度約為北緯40度。在一年四季的正午時分，太陽高度角從冬至日的27度逐漸升到夏至日的73度，然后逐漸下降至第二年冬至日的27度，如此循環。在夏至日，由于太陽高度角過大，陽光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻擋，僅照射在門口，未能進入殿內，因而夏天乾清宮內并不會很熱（夏涼）；在冬至日，由于太陽高度角很小，陽光很容易穿過屋檐照射到殿內深處（冬暖），且反射到正大光明匾額位置上。不僅如此，故宮古建筑屋檐起翹的斜度一般在26度至30度之間，這個角度約等于冬至日正午時分的太陽高度角，可使陽光近似與屋檐“平行”的方向照射到乾清宮深處。
陽光照在任何物體表面都會產生反射，且表面光澤性較強的物體會產生鏡面反射。鏡面反射的特點在于：太陽光（可近似認為是平行光）照射到物體表面后，仍以平行光方式產生反射，且反射角與入射角相等。對于乾清宮而言，其殿內采用的是金磚地面，表面如鏡般光亮，因而產生鏡面反射，且反射后的光束可集中匯聚到殿內相應的位置。
需要說明的是，金磚屬于土質方磚的一種，產地源于蘇州城北的陸慕鎮余窯村。其土質細膩、含膠狀體豐富、可塑性強，加工制作的磚顆粒細膩，質地致密堅硬，且造價昂貴，因而民間稱為金磚。故宮古建筑內的金磚地面鋪墁，有一道“使灰鉆油”的工序。所使用的油為桐油。生桐油是一種植物蛋白膠，一般通過冷榨3—4年的桐樹籽得來，外觀呈淺棕黃色，光澤度好。澆筑桐油的金磚地面堅固密實，其光亮的表面經過陽光照射后，易產生鏡面反射。冬至日正午時分，陽光能夠反射到殿內的正大光明匾額正中，金磚地面的鏡面反射無疑起到了關鍵作用。
另太陽每日在不同時間段的照射方位，有利于乾清宮匾額被“點亮”。地球在繞太陽公轉的同時，還自西向東自轉，因而太陽相對于地球而言，每天做東升西落的運動。冬至日，在正午前，太陽位置在乾清宮的東南側，陽光的照射方向為西北向，因而首先點亮“明”字及西邊的龍；“隨后，太陽位置向西移動，照射到匾額的方向由西北向東北移動，因而很快陽光就點亮了“光”字及其下方的龍；在正午時，太陽的位置在乾清宮的正南側，陽光照射的方向為北向，因而“大”字的東側及下方正中間部位的龍最亮；正午后，太陽的位置在乾清宮的西南側，陽光照射的方向為東北向，因而“正”字及下方最東側的龍最亮。
由上可知，乾清宮坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午時分最低的太陽高度角，太陽相對地球東升西落的運行規律，乾清宮科學合理的屋檐起翹角度，光亮金磚地面的反射作用等因素，使得乾清宮正大光明匾額及下方的五條金龍，在冬至日的正午被依次點亮。上述過程包含了極為豐富的古代設計學、光學、天文學、材料學等科學知識，反映了古代工匠卓越的智慧。
（周 乾 作者系故宮博物院研究館員）
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