每年冬至日前后的正午时分，故宫乾清宫内就会出现一番奇特的景象：大殿内“正大光明”匾额及下方的五条金龙会由西向东依次被阳光点亮，发出金色的光芒。冬至日是古人极其重视的节日，古代帝王会选择冬至日祭天，以表达“阴极阳生、万物生长”的祈愿。而乾清宫内正大光明匾额及金龙在冬至日被点亮，也反映了古人在建筑方面的匠心独运。
乾清宫坐北朝南的建筑方位与太阳照射的方位角相适应，有利于建筑内部合理采光。这种建筑方位的特点为：长度方向与东西向平行，宽度方向与南北向平行，南立面每间房均开设隔扇或槛窗，北立面一般只在明间开设用于出入的隔扇门。“坐北朝南”是紫禁城重要宫殿的布局方式。我国先秦时期儒家经典《周易》之“说卦”载有：“圣人南面而听天下，向明而治”，即古圣先王坐北朝南而听治天下，面向阳光而治理天下。其科学原因在于：北京位于北回归线以北，每年春分到秋分时期，太阳照射的方位是东偏北升起、西偏北降落，建筑内接受日照较少，不至于过热；而秋分到下一年的春分时期，太阳照射的方位是东偏南升起、西偏南降落，易于大殿内部采光。
冬至日正午时分（12点）的太阳高度角，有利于阳光直射入乾清宫内部。太阳高度角是指太阳照射方向与地平面的夹角。一天之中，太阳高度角日出和日落时分最小，而在正午时分最大。一年之中，太阳高度角亦不断变化，且与纬度密切相关。北京地区所在的纬度约为北纬40度。在一年四季的正午时分，太阳高度角从冬至日的27度逐渐升到夏至日的73度，然后逐渐下降至第二年冬至日的27度，如此循环。在夏至日，由于太阳高度角过大，阳光照射到屋檐位置后，由于屋檐的阻挡，仅照射在门口，未能进入殿内，因而夏天乾清宫内并不会很热（夏凉）；在冬至日，由于太阳高度角很小，阳光很容易穿过屋檐照射到殿内深处（冬暖），且反射到正大光明匾额位置上。不仅如此，故宫古建筑屋檐起翘的斜度一般在26度至30度之间，这个角度约等于冬至日正午时分的太阳高度角，可使阳光近似与屋檐“平行”的方向照射到乾清宫深处。
阳光照在任何物体表面都会产生反射，且表面光泽性较强的物体会产生镜面反射。镜面反射的特点在于：太阳光（可近似认为是平行光）照射到物体表面后，仍以平行光方式产生反射，且反射角与入射角相等。对于乾清宫而言，其殿内采用的是金砖地面，表面如镜般光亮，因而产生镜面反射，且反射后的光束可集中汇聚到殿内相应的位置。
需要说明的是，金砖属于土质方砖的一种，产地源于苏州城北的陆慕镇余窑村。其土质细腻、含胶状体丰富、可塑性强，加工制作的砖颗粒细腻，质地致密坚硬，且造价昂贵，因而民间称为金砖。故宫古建筑内的金砖地面铺墁，有一道“使灰钻油”的工序。所使用的油为桐油。生桐油是一种植物蛋白胶，一般通过冷榨3—4年的桐树籽得来，外观呈浅棕黄色，光泽度好。浇筑桐油的金砖地面坚固密实，其光亮的表面经过阳光照射后，易产生镜面反射。冬至日正午时分，阳光能够反射到殿内的正大光明匾额正中，金砖地面的镜面反射无疑起到了关键作用。
另太阳每日在不同时间段的照射方位，有利于乾清宫匾额被“点亮”。地球在绕太阳公转的同时，还自西向东自转，因而太阳相对于地球而言，每天做东升西落的运动。冬至日，在正午前，太阳位置在乾清宫的东南侧，阳光的照射方向为西北向，因而首先点亮“明”字及西边的龙；“随后，太阳位置向西移动，照射到匾额的方向由西北向东北移动，因而很快阳光就点亮了“光”字及其下方的龙；在正午时，太阳的位置在乾清宫的正南侧，阳光照射的方向为北向，因而“大”字的东侧及下方正中间部位的龙最亮；正午后，太阳的位置在乾清宫的西南侧，阳光照射的方向为东北向，因而“正”字及下方最东侧的龙最亮。
由上可知，乾清宫坐北朝南的建筑布局方式，冬至日正午时分最低的太阳高度角，太阳相对地球东升西落的运行规律，乾清宫科学合理的屋檐起翘角度，光亮金砖地面的反射作用等因素，使得乾清宫正大光明匾额及下方的五条金龙，在冬至日的正午被依次点亮。上述过程包含了极为丰富的古代设计学、光学、天文学、材料学等科学知识，反映了古代工匠卓越的智慧。
（作者系故宫博物院研究馆员）
作者：周 乾
来源： 科技日报
