故宮是明清時(shí)期的皇家宮殿，“紅墻黃瓦”是故宮給人們留下的經(jīng)典印象。其中，紅墻是指故宮內(nèi)的宮墻，其外表多飾以紅色。紅色有著陽(yáng)光、溫暖、熱情、喜慶等多種美好寓意，是中華民族偏愛(ài)的顏色，因而又被稱(chēng)為中國(guó)紅。故宮紅墻呈現(xiàn)出壯麗、恢宏的美學(xué)意境，有著獨(dú)特的視覺(jué)美。不僅如此，故宮紅墻的色彩運(yùn)用、施工技法，甚至關(guān)于紅墻本身的傳說(shuō)等，均包含了較為豐富的科學(xué)內(nèi)容。
從光學(xué)角度而言，在可見(jiàn)光譜中，紅色波長(zhǎng)最長(zhǎng)，這就意味著它的衍射能力最強(qiáng)，即使在能見(jiàn)度較低的環(huán)境條件下也能被注意到，而故宮大面積的紅墻極容易成為顯著的標(biāo)識(shí)。不僅如此，紅色波長(zhǎng)的特征使得這種色彩在視網(wǎng)膜上成像時(shí)，可產(chǎn)生比其他顏色同尺寸物體要大的視覺(jué)效果。另有科學(xué)研究表明，人體視網(wǎng)膜中對(duì)于紅色敏感的錐形感光細(xì)胞數(shù)量很多，因而紅色就成為人很容易辨認(rèn)的顏色。因此，故宮紅墻的顏色就會(huì)給人們留下深刻印象。
故宮紅墻的選材與施工也具有科學(xué)性。從構(gòu)造角度講，故宮宮墻主要由磚墻芯、底層灰(漿)、罩面灰(漿)組成。我們看到的中國(guó)紅就屬于罩面灰。雍正朝《大清會(huì)典二》卷之九十五載有“殿門(mén)墻外用紅土，內(nèi)用石灰”，可說(shuō)明紅墻的底層灰以石灰為主要成分，罩面灰以紅土為主要成分。清工部編纂的《工程做法》卷五十三對(duì)紅墻罩面灰的材料組成有了更為明確的規(guī)定：“提刷紅漿，每折見(jiàn)方一丈用頭號(hào)紅土十觔，江米四合，白礬捌倆”。其中，“頭號(hào)紅土”為顆粒較細(xì)、顏色較深的紅土，“觔”通“斤”，“江米”即糯米，“合”為容積單位，1合等于0.1升。上述3種材料的實(shí)際工程配比一般為頭號(hào)紅土、江米、白礬按100∶7.5∶5的重量比例混合，兌水后抹在宮墻上，作為宮墻的面層。
科學(xué)研究表明，故宮紅墻的紅土主要成分為氧化鐵(Fe2O3)，這種材料有很強(qiáng)的著色能力，在大氣和日光中較穩(wěn)定，有較好的耐腐蝕，耐高溫性能。為了使中國(guó)紅較為穩(wěn)固地附在宮墻面層，聰明的古代工匠在紅墻中摻入了江米和白礬。江米主要成分為淀粉，它能形成吸引力很大的空間網(wǎng)格，對(duì)石灰底層的大小和形貌有較好的調(diào)控作用，有利于結(jié)晶體的致密，因而有利于紅土黏結(jié)在底層灰上。白礬別名明礬、礬石等，由硫酸鋁鉀類(lèi)礦物明礬石加工提煉而成。白礬與石灰混合后，形成鈣礬石，其固相體積膨脹對(duì)灰漿的干燥收縮起了一定補(bǔ)償作用，因而有利于提高灰漿的抗壓強(qiáng)度、耐水性能和耐凍融性能。江米、白礬等材料與頭號(hào)紅土的巧妙運(yùn)用，使得故宮紅墻呈現(xiàn)出中國(guó)紅的優(yōu)美色彩，并且可保持?jǐn)?shù)年不掉落。
故宮紅墻有著諸多傳說(shuō)，其中最有名的是20世紀(jì)90年代的“宮女魅影”。有參觀故宮的游客表示，他們?cè)陂W電時(shí)看到了紅墻上“古代宮女”的影像。從材料學(xué)角度而言，F(xiàn)e2O3以α-Fe2O3、γ-Fe2O3兩種形式存在。故宮紅墻罩面灰的主要成分屬于α-Fe2O3，其性質(zhì)穩(wěn)定。然而，在雷雨天時(shí)，閃電會(huì)產(chǎn)生少量的氫氣，α-Fe2O3與氫氣可產(chǎn)生還原反應(yīng)，生成四氧化三鐵(Fe3O4)。Fe3O4在高溫下與氧氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)，可生成γ-Fe2O3。γ-Fe2O3具有磁記錄的功能，是磁帶的重要材料之一。在古代，宮女在紅墻內(nèi)行走時(shí)，如恰巧遇到雷電天氣，閃電與磁場(chǎng)的相互作用，可在紅墻表面產(chǎn)生γ-Fe2O3，使得“宮女魅影”被“記錄”在紅墻上。該過(guò)程類(lèi)似于磁帶在電磁場(chǎng)作用下，保存視頻和音頻的磁信號(hào)。而上百年后，在紅墻罩面灰仍保存完好的前提下，游客在雷雨天參觀時(shí)，很有可能閃電與磁場(chǎng)再次相互作用，使得“記錄”在紅墻上的“宮女魅影”再現(xiàn)。該過(guò)程類(lèi)似于磁帶的磁信號(hào)在電磁場(chǎng)作用下，還原出視頻和音頻。由此可以認(rèn)為，“宮女魅影”現(xiàn)紅墻并非毫無(wú)科學(xué)依據(jù)，是有可能發(fā)生的。
需要說(shuō)明的是，故宮紅墻的抹灰層(底層灰、罩面灰)的根本用途，是為了保護(hù)磚墻芯免受風(fēng)化。而抹灰層與墻芯的黏結(jié)強(qiáng)度有限，往往幾年或數(shù)年內(nèi)，就會(huì)脫落，需要工匠重新對(duì)墻芯進(jìn)行抹灰。因此，墻體抹灰是紫禁城古建筑日常維護(hù)保養(yǎng)的重要內(nèi)容，且600余年來(lái)少有間斷。而游客所看到的“宮女魅影”，其所在的紅墻能歷經(jīng)上百年保存完好而無(wú)需重新抹灰，這種情況也是很少的。
由上可知，故宮紅墻不僅僅有濃厚的美學(xué)和歷史文化氣息，更能反映出古代工匠對(duì)建筑材料的科學(xué)運(yùn)用，體現(xiàn)了卓越的建筑智慧。(作者系故宮博物院研究館員周 乾)
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