天坛皇穹宇牌位迎来“高光时刻”

“瑞叶霏微达曙连，正逢阳复祀皇乾”。这是乾隆皇帝在1750年南郊祭天时写下的诗句，描绘了天坛冬至祭天时的盛大场景。

冬至（12月21-23日）是我国传统节气，阴极之至，阳气始生，被中国古人赋予万物更新、阴阳转换的重要寓意。

明清时期，每年冬至日都会在天坛圜丘举行隆重的祭天大典。坐落在圜丘北侧的皇穹宇，本来是存放祭天牌位的仓库，但在冬至日正午时分，会有一束光穿过皇穹宇大殿，聚光灯般照在大殿最深处的“皇天上帝”神版之上，形成“光照神版”的冬至奇观，给古老而神圣的祭坛增添了几分神秘的色彩。

这奇妙的光学现象是如何产生的，这束光又是从哪里来的呢？

众所周知，地球自转时，赤道平面与围绕太阳公转的黄道平面之间存在黄赤交角约23°26′，一年中太阳直射点会在地球南北回归线之间来回移动，形成了四季节律和节气变化，也带来了有规律的光线变化。

北京位于北纬约40°的位置，冬至日这一天，北半球达到一年中正午太阳高度角的最小值，北京地区约为26°34′，此时光线会穿过天坛皇穹宇南侧的门窗照射到殿内最深处。

那么，冬至日的这束光会被建筑阻挡吗？从古建筑建造角度来看，这束光并不会被阻挡。中国古人早就将天文学对建筑设计的影响体现在宫殿的建造中，大凡重要的建筑以“坐北朝南”为最佳，高耸的屋顶和深远的出檐设计既满足冬季纳光，又满足夏季遮阳的需求。天坛皇穹宇坐北朝南，出檐与柱高之间的比例关系是依据建筑体量和功能设计的。以夏至日与冬至日正午光线现象为对比，夏至日正午时分光线会被深远的出檐阻挡殿外，而冬至日正午时分的光线会最大限度地照射到大殿深处的石板上。
这束光又是如何一跃而起聚焦在皇天上帝神板之上呢？这就要说到物理学中光的反射现象了。皇穹宇大殿内地面铺装了青石材质，每一块石料都经过工匠精心打磨和桐油浸泡，质地紧密，表面光滑，是发生镜面反射的必备条件。冬至日正午时分穿过大殿的光线照射到石板上，遵循光的反射规律，又以同一角度射出，最终聚焦在了“皇天上帝”神版上，也就是我们今天在皇穹宇大殿内看到的这一奇妙的光学现象。

天坛，这座拥有600余年历史的明清皇家祭坛，因其建筑中蕴含丰富科学文化被誉为“科学建筑”。通过对冬至日太阳高度角变化、建筑布局，以及光的反射现象的分析，我们可以更科学地感受到古人智慧。这种光学现象是刻意为之还是巧合，也许在中国古建筑中还存在着更多这样有趣的科学现象，等待我们去发现和解读。

（作者系天坛公园宣教中心馆员）