“瑞葉霏微達(dá)曙連，正逢陽復(fù)祀皇乾”。這是乾隆皇帝在1750年南郊祭天時寫下的詩句，描繪了天壇冬至祭天時的盛大場景。

冬至（12月21-23日）是我國傳統(tǒng)節(jié)氣，陰極之至，陽氣始生，被中國古人賦予萬物更新、陰陽轉(zhuǎn)換的重要寓意。

明清時期，每年冬至日都會在天壇圜丘舉行隆重的祭天大典。坐落在圜丘北側(cè)的皇穹宇，本來是存放祭天牌位的倉庫，但在冬至日正午時分，會有一束光穿過皇穹宇大殿，聚光燈般照在大殿最深處的“皇天上帝”神版之上，形成“光照神版”的冬至奇觀，給古老而神圣的祭壇增添了幾分神秘的色彩。

這奇妙的光學(xué)現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的，這束光又是從哪里來的呢？

眾所周知，地球自轉(zhuǎn)時，赤道平面與圍繞太陽公轉(zhuǎn)的黃道平面之間存在黃赤交角約23°26′，一年中太陽直射點(diǎn)會在地球南北回歸線之間來回移動，形成了四季節(jié)律和節(jié)氣變化，也帶來了有規(guī)律的光線變化。

北京位于北緯約40°的位置，冬至日這一天，北半球達(dá)到一年中正午太陽高度角的最小值，北京地區(qū)約為26°34′，此時光線會穿過天壇皇穹宇南側(cè)的門窗照射到殿內(nèi)最深處。

那么，冬至日的這束光會被建筑阻擋嗎？從古建筑建造角度來看，這束光并不會被阻擋。中國古人早就將天文學(xué)對建筑設(shè)計(jì)的影響體現(xiàn)在宮殿的建造中，大凡重要的建筑以“坐北朝南”為最佳，高聳的屋頂和深遠(yuǎn)的出檐設(shè)計(jì)既滿足冬季納光，又滿足夏季遮陽的需求。天壇皇穹宇坐北朝南，出檐與柱高之間的比例關(guān)系是依據(jù)建筑體量和功能設(shè)計(jì)的。以夏至日與冬至日正午光線現(xiàn)象為對比，夏至日正午時分光線會被深遠(yuǎn)的出檐阻擋殿外，而冬至日正午時分的光線會最大限度地照射到大殿深處的石板上。
這束光又是如何一躍而起聚焦在皇天上帝神板之上呢？這就要說到物理學(xué)中光的反射現(xiàn)象了?；蜀酚畲蟮顑?nèi)地面鋪裝了青石材質(zhì)，每一塊石料都經(jīng)過工匠精心打磨和桐油浸泡，質(zhì)地緊密，表面光滑，是發(fā)生鏡面反射的必備條件。冬至日正午時分穿過大殿的光線照射到石板上，遵循光的反射規(guī)律，又以同一角度射出，最終聚焦在了“皇天上帝”神版上，也就是我們今天在皇穹宇大殿內(nèi)看到的這一奇妙的光學(xué)現(xiàn)象。

天壇，這座擁有600余年歷史的明清皇家祭壇，因其建筑中蘊(yùn)含豐富科學(xué)文化被譽(yù)為“科學(xué)建筑”。通過對冬至日太陽高度角變化、建筑布局，以及光的反射現(xiàn)象的分析，我們可以更科學(xué)地感受到古人智慧。這種光學(xué)現(xiàn)象是刻意為之還是巧合，也許在中國古建筑中還存在著更多這樣有趣的科學(xué)現(xiàn)象，等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和解讀。

（作者系天壇公園宣教中心館員）