Теоретические и экспериментальные основания релятивистской гравидинамики

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Н.М. Пухов, В.Н. Марков, П.П. Исаев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВАНИЯ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ГРАВИДИНАМИКИ

Прембула. Статья представляет обзор идей методологического и методического характера, касающихся начального этапа изучения основных теоретических и экспериментальных положений релятивистской гравидинамики. Содержание материала основывается на новейших открытиях современной астрофизики и космологии.

В настоящее время становится необходимым изучать основы релятивистской гравидинамики на различных этапах образовательного процесса. При этом возникает множество педагогических затруднений, обусловленных особенностями изучаемого предмета. Настоящая статья представляет собой методический обзор идей, которые могли бы способствовать их разрешению. Предлагается в большой мере использовать физически содержательную методологию и эффективную эмпирическую верификацию определяющих положений современной релятивистской гравидинамики. В подкрепление своей позиции приведем мнение Стивена Вайнберга [1]. Он пишет: «В этой книге я основываю обсуждение общей теории относительности не на геометрии Римана, а на естественном физическом принципе, следующем из эксперимента, - принципе эквивалентности инерции и гравитации. Принцип эквивалентности является лучшим мостом, соединяющим релятивистскую теорию гравитации с современной теорией элементарных частиц. Если удовлетворительная квантовая теория гравитации будет развита в этом направлении, то это и будет наиболее убедительным подтверждением той точки зрения, что релятивистская гравидинамика может быть понята как ветвь современной квантово-релятивистской физики, а не как специальный раздел дифференциальной геометрии многообразий».

Каждая физическая концепция проходит ряд естественных этапов своего становления, развития и утверждения статуса как правильной физической теории. Для Эйнштейна и его теории гравитации период 1907-1915 годов был этапом больших неопределенностей, сложностей и трудных эвристических поисков правильного решения, который завершился построением теорети-

ческой модели релятивистской гравидинамики -общей теории относительности (ОТО). Уточняя эту модель, он попытался получить ряд следствий, которые бы могли представить эмпирические и теоретические ее подтверждения.

Прежде всего коснемся одного теоретического следствия, которое для общей теории относительности имеет принципиально важное значение. В данном случае речь идет о работах [2]. Статьи начинаются преамбулой: «В этой статье мы исследуем наиболее простой теоретический вопрос о том, в какой степени релятивистские уравнения гравитационного поля определяют законы движения весомых тел в заданном гравитационном поле». Нетривиальность этой задачи1 заключается в том, что в принципе ниоткуда не следует, что эвристически сконструированные уравнения Эйнштейна релятивистской гравиди-намики должны определять характер релятивистской динамики пробных частиц, взаимодействующих с заданным гравитационным полем. Эйнштейн и Инфельд в [2] показали, что правильные релятивистские динамические уравнения движения «весомых» тел имплицитно содержаться в уравнениях Эйнштейна релятивистской гравиди-намики. Это сильная содержательно-методологической точка зрения. Следя за динамикой и кинематикой движения пробных частиц в заданном внешнем поле, можно получать информацию о структуре и свойствах самого гравитационного поля. Так поставленную задачу мы будем называть «обращенной задачей Эйнштейна».

Населим пространство-время (при наличии гравитационного поля) множеством пробных точечных частиц (с предельно малой массой). Эти частицы будут индикаторами гравитационного поля. Точки-события Sт, связанные индикаторами гравитационного поля, объединим

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2006

© Н.М. Пухов, В.Н. Марков, П.П. Исаев, 2006

в особое (дифференцируемое 4-х мерное) многообразие &}=МЕ, которое называем многообразием Эйнштейна данной гравидинамической конфигурации. Многообразие МЕ - это динамическое многообразие, оно изменяет свою структуру и геометрические формы с течением времени. Такая характеризация гравитационного поля делает естественным появление в ОТО гео-метродинамических факторов.

Мировые линии пробных точечных частиц в многообразиях (пространствах) Эйнштейна называют геодезическими, они отмечают «траектории» свободных падений этих частиц в гравитационном поле ). Семейство (множество) всех таких линий, соответствующих различным начальным условиям (для пробных индикаторов) почти что однозначно определяет кинематико-динамическую геометрию многообразий Эйнштейна МЕ.

Предположим, что для каждой точки-события St е МЕ нам известна структура «пучка» геодезических линий, проходящих через эту точку. Эта информация определяет геометрическую структуру многообразия МЕ ((§)). Так возникает «обращенная задача Эйнштейна»: по знанию (за-данности) геометрической структуры многообразия МЕ восстановить структуру релятивистских уравнений гравитационного поля, соответствующего многообразию МЕ. Оказывается, что для каждой пары бесконечно близких и причинно связанных событий найдется единственная геодезическая, которая соединит эти события [3]. Система отсчета, которая свободно падает вдоль такой геодезической, называется локально-инер-циальной системой отсчета (ЛИСО). Согласно принципа эквивалентности Эйнштейна в такой системе отсчета будут (локализовано) выполняться все положения специальной теории относительности. В такой ЛИСО можно определить ортонормированный лоренцевский базис и отнесенные к нему локально-лоренцевы (геодезические) координаты: £, = 10, ^. В базисе интервал собственного времени пробной частицы, падающей вдоль геодезической у (Бт, Бт+Л), определится релятивистски-инвариантной квадратичной формой:

где использовано правило «немого индекса», а а, р = 0,1,2,3. В (1) ц = 11 цар || - метрический тензор пространства Минковского

ц = diag [1, -1, -1, -1].

Всю физическую ситуацию связанную с многообразием МЕ можно описывать используя произвольную систему координат К и соответствующие (отнесенные к ней) координаты {хм}. С учетом дифференцируемой структуры многообразия МЕ для каждого события 5 еМЕ должно существовать взаимно однозначное и дифференцируемое соответствие

{^

причем такое, что существуют невырожденные матрицы частных производных

к(Б )Е

34а

дхм

к-1 (Б) =

дх"

Геометродинамические величины

д—

— = К

дх" "

называют релятивистскими гравитационными тетрадами. Используя их можно естественным образом определить все геометродинамические величины ОТО и, в частности, метрический тензор = || многообразий МЕ. Соответствие к ^ ¡1 вытекает из (2) и требования инвариантности величины ¿т = ^(1).

Действительно, при преобразовании координат (2) имеем, что

-_у ^ ¿х" Ж- ¿х» .

¿^ дх * М-

м=о

дх"

Подставляя эти выражения для в (1), получаем

где

(¿г)2 = = ¡^¿х

= сд^

^ =11ар ~дххг.

Совокупность g ^ || величин из (3б) образует тензорный объект по отношению к общекоординатным преобразованиям, обеспечивая ковариантность уравнений Эйнштейна по отношению к этим преобразованиям.

Требования локализованной £ог-инвариант-ности и общекоординатной ковариантности вкупе с локализованным действием релятивистского закона сохранения энергии-импульса (при некоторых других ограничивающих условиях) приводит к тому, что дифференциальные уравнения в частных производных (уравнения Эйн-

штейна), которым должны будут удовлетворять компоненты метрического тензора определенные по отношению к произвольной системе отсчета K* должны иметь следующий вид

G|lv = ю-Т^, = 0,1,2,3,

где G = || G/1V || - тензор Эйнштейна гравитационного поля, а Т = 11Т^ || - тензор энергии-импульса гравитирующей материи, которая является ис-8пв

точником этого поля, ю = —4- - эйнштейновская

c

гравитационная постоянная, § - гравитационная постоянная Ньютона.

Иногда в специальной литературе возникают дискуссии по поводу корректности вывода и точности уравнений (4). С педагогической точки зрения важно понимание физического смысла этих уравнений, а также того обстоятельства, насколько теория, представленная уравнениями (4), адекватна реальной физической действительности. В этом отношении теория Эйнштейна занимает ведущее положение среди множества других конкурирующих с ней теорий. На начальном этапе изучения релятивистской гравидина-мики учащихся надо ознакомить с богатым и впечатляющим арсеналом наблюдаемых феноменов и эффектов гравидинамики. Эти эффекты не выдуманы были Эйнштейном, а они объек-

тивно существуют в физической реальности. Теория же Эйнштейна их предсказывает, описывает и объясняет.

Рассмотрим ряд экспериментальных фактов, которыми подтверждается (верифицируется) общая теория относительности. Релятивистская гравидинамика Эйнштейна является работающей теорией в такой же мере, в какой теория Максвелла функционирует в электродинамике. Важнейшим фундаментальным следствием релятивистской гравидинамики, представляемой уравнениями (4), является космологическая динамика нашей Вселенной. Достоверно установлено [4], что многообразие МЕ, рассматриваемое в масштабах космологической астрофизики, «дышит», геометрия Мира изменяется, приводя к космологическому эффекту разбегания галактик.

Другим глобальным космологическим следствием проявления и действия релятивистской гравидинамики является существование мирового низкотемпературного (70 ^ 2,75К) реликтового электромагнитного фонового излучения -своеобразного «эха» Большого Взрыва (нашей Вселенной). С открытием реликтового излучения пространственная изотропия Мира (во вселенских масштабах) получила сильное подтверждение. Потоки реликтовых фотонов к наблюдателю (в любом «месте» Вселенной) приходят

1Гц

150 300 450 600

Длина волны, мм

Рис. 1. Результаты измерений спектра космического микроволнового излучения (точки на рисунке), полученные при помощи спутника СОВЕ, прекрасно совпадают с расчетной кривой (сплошная линия), полученной из теории Большого Взрыва

равномерно со всех сторон, подтверждено современной наблюдательной астрофизикой с точностью превышающей сотые доли процента. На рисунке 1 приведены результаты соответствующих экспериментальных наблюдений.

Реликтовое излучение, равномерно и изотропно наполняющее всею Вселенную служит особой - выделенной системой отсчета, своеобразным мировым фоном. Существование такой системы отсчета не нарушает справедливость принципа относительности механического движения. Изотропия фонового излучения с высокой степенью точности наблюдается только относительно системы центра масс Вселенной, которую мы обозначим символом Км. Если некоторый наблюдатель движется относительно Км с реляционной скоростью Уи , то за счет эффекта Доплера возникает анизотропия наблюдаемого (регистрируемого) фона в системе отсчета наблюдателя. Пусть в угол, образованный вектором скорости Ум и вектором N, определяющим ориентацию оси радиотелескопа в пространстве.

При условии, что | V | << с (где с - скорость света) и факта мировой изотропии реликтового излучения, в силу действия доплер-эффекта, эффективная температура спектра реликтового излучения, измеряемая для различных направлений, станет зависящей от угла в и величины скорости Ум и определяется соотношением

7 (Уи, в) = 70

где 70 ^ 2,75 К - истинная температура реликтового излучения.

Величина Т(Ум,в) определяется по смещению максимума спектрального распределения (рис. 1). Эффект движения относительно «мирового фона», описываемый формулой (5), в настоящее время удается промерить с точностью порядка 10%. Подобные измерения и наблюдения показывают, что Земля движется (относительно Км) в направлении созвездия Льва со скоростью порядка 400 км/с. Фоновая система отсчета Км позволяет оценить скорости движения и других объектов: нашей Галактики, местной группы ближайших галактик и т.д. В данном случае релятивистский гравидина-мический эффект становится рабочим инструментом современной практической астрофизики.

В связи с обсуждаемой темой обратим внимание на еще одно экспериментальное откры-

тие релятивистской гравидинамики. В 19981999 годах двум большим (международным) группам астрофизиков удалось обнаружить всемирное антитяготение и космический гравитационный вакуум. Эти исследования активно продолжаются и сейчас. Они опираются на изучение вспышек сверхновых, которые происходят в очень далеких от нас галактиках. Это обстоятельство позволяет экспериментальными средствами изучить расширение нашей Вселенной на ранних этапах ее развития. Главный смысл последнего открытия заключается в том, что в глобальной динамике Вселенной доминирующую роль играет гравитационный космический вакуум. Этот эффект в свое время предсказывался Эйнштейном. По плотности энергии (так называемая «темная энергия») космический вакуум превосходит все обычные формы материи вместе взятые. Четыре пятых всей энергии Вселенной составляет энергия космического вакуума! Космический вакуум создает антитяготение или антигравитацию [4], которая и управляет динамикой космологического расширения Вселенной в современную эпоху.

Рассмотрим ряд релятивистских гравидина-мических эффектов, которые являются прямыми следствиями теории, описываемой и представляемой уравнениями (4), и которые следует рассматривать и обсуждать при первом знакомстве с релятивистской гравидинамикой. Одним из следствий теории Эйнштейна является эффект «красного» смещения - изменения частоты «света» прошедшего через точки с разностью гравитационного потенциала Аф

у0 -V Аф

где Ау = (у0 -у) изменение частоты светового сигнала. Этот результат Эйнштейн получил в 1911 году, до того как он построил ОТО. Релятивистский гравидинамический эффект красного смещения впервые экспериментально был верифицирован Р. Паундом и Д. Ребкой в 1960 году. К настоящему времени выполнены более точные эксперименты, подтверждающие этот эффект.

В 1915 году, используя уравнение (4), Эйнштейн рассчитал релятивистские эффекты грави-динамики планет солнечной системы. Из них следовало, что в силу релятивистского нарушения условий теоремы Бертрана [5, с. 111], вектор Рунге-Ленца в релятивистской задаче Кеп-

V

с

0

лера должен будет поворачиваться (в плоскости орбиты) за один оборот на угол

Аф =

блдм

~ п Л • c а

где § - гравитационная постоянная Ньютона, М - масса Солнца, с - скорость света, а - большая полуось планеты, е - эксцентриситет ее орбиты. Этот эффект называют эффектом прецессии орбиты. Наблюдения за планетами и космическими кораблями подтверждают (7) с высокой степенью точности. Так измерения сдвига перигелия Меркурия, проведенные в 1975 году, дают величину прецессии А^ = 42" в столетие.

Релятивистская гравидинамика предсказывает существование еще одного необычного эффекта - искривление луча света в гравитационном поле. Если свет, идущий от далекой звезды, проходит очень близко около Солнца, то ее видимое положение не небесной сфере смещается на угол Аср

Аф = -

с 2Ь

где М- масса Солнца, Ь - прицельный параметр луча света. Если в (8) параметр Ь равен радиусу Солнца, то в этом случае отклонение светового луча будет равно А^ш^ 1,75". К настоящему времени проведено наблюдение над более чем че-тырехстами звездами, находящимися за Солнцем в период его полного затмения. Формула (8) хорошо согласуется с данными наблюдений. Существуют и другие релятивистские гравидина-мические эффекты, которые поддаются прямому наблюдению и измерению.

В период с 1973 по 1993 годы произошло резкое изменение статуса и «признанности» ОТО Эйнштейна. Это связано с астрофизическим открытием, которое было осуществлено Р. Халсом и Дж. Тейлором. За цикл соответствующих исследований им в 1994 году была присуждена Нобелевская премия [6]. Прежде чем рассматривать это открытие обсудим некоторые теоретические аспекты релятивистской гравидинами-ки, связанные с ним.

В релятивистской электродинамике имеется система уравнений

Пу" = 4л- j" , ц = 0,1,2,3, с

которая описывает динамику изменения электромагнитного поля в зависимости от изменения распределения источников ум этого поля. В том

случае, когда источники электромагнитного поля (т.е. электрические заряды) начинают двигаться с ускорением, появляются особые решения уравнений (9), которые имеют волновой характер -возникают электромагнитные волны.

Из теоретико-полевых соображений следует, что уравнения (4) также должны иметь решения в виде соответствующих гравитационных волн. К этому выводу можно прийти следующим образом. Рассмотрим слабые гравитационные поля, когда компоненты метрического тензора g имеют вид

V = ,

где - компоненты метрического тензора пространства Минковского, а - его гравитационные возмущения. Для слабых полей | ^ | << 1, и уравнения (4) приводятся к виду

^ = 4л ; = 0,1,2,3,

где  - волновой оператор Даламбера в сигнату-I - модифицированный тен-

(8) ре (+---),

а т = т„

зор энергии-импульса гравитирующей материи, определенный в приближении слабого гравита-

, с4

ционного поля, k = - релятивистская грави-

динамическая постоянная.

Имеется полная формальная аналогия между уравнениями (9) и (10а) с одним существенным отличием. Энергия электромагнитного излучения определяется дипольными моментами в распределении электрических зарядов. В ОТО источники поля имеют тензорный характер (тензор || ^ ||), поэтому основной вклад в энергетику гравитационных волн вносят квадрупольные моменты распределения гравитирующей материи, которые определяются как

Dap ^) = |И

V'

где ц (х, t) - плотность распределения гравити-рующей материи.

В общем случае вычислить величины Бар из (11) и рассчитать всю энергетику гравитационного излучения весьма сложно. Однако существует простая модельная задача [7, с. 370], где эта проблема преодолевается и получается конкретный и вполне точный ответ. Такой является задача о гравидинамике двойной звездной системы, когда оба компаньона в ней обращаются по круговым орбитам вокруг их общего центра

масс. В этом случае величины Dap явно и просто вычисляются. Вычисляется также скорость потери кинетической энергии вращающихся звезд. В описанном выше приближении и вследствие действия уравнений (10а) она будет изменяться по закону

^ = - м V, 4

йг 5с

где м = т1т2 /(т + т2) - приведенная масса двойной системы, о - угловая скорость орбитального вращения звезд, г - расстояние между центрами масс этих звезд. Энергию уносят гравитационные волны, которые генерируются описанной выше гравидинамической системой. В результате звезды приближаются друг к другу, увеличивая свою скорость орбитального вращения.

Из (12) и ньютоновской гравидинамики следует, что на сравнительно малом (по астрономическим масштабам) интервале времени в результате действия эффекта гравитационной радиации, вращение двойной системы будет происходить с постоянным угловым ускорением

е = Р—4 = Соп..г

где ю0 и г0 - значения этих параметров, отнесенные к начальному моменту г0 наблюдения за этой системой. В (13) константа ¡5 имеет следующее значение

Р -

192^3т1т2(т1 + т2) 10с5 '

где т1 и т2 - соответствующие массы компаньонов в рассматриваемой двойной звездной системе. Расчет этого равноускоренного вращения показывает, что не возмущенное вращение будет отставать по фазе от возмущенного гравитационной радиацией на величину равную

А

где т1 - (г - г0) - время наблюдения за системой, отсчитываемое от некоторого начального момента г0, а р - параметр этой параболической зависимости, который в приближении круговых орбит оказывается равным

р=4

г

Более точные вычисления с учетом эллиптичности звездных орбит и более высоких постньютоновских приближений релятивистской грави-динамики качественно дают тот же самый результат - в двойной звездной системе из-за дис-

сипативного действия гравитационной радиации должен возникать накапливающийся эффект «фазового сдвига», описываемый уравнением (14). Следует подчеркнуть, что параболическая зависимость фазового сдвига из (14) от времени наблюдения за системой, излучающей гравитационные волны, является следствием квад-рупольного механизма генерирования гравитационных волн, существование которого предсказывается только ОТО. Поэтому экспериментальное подтверждение закономерности (14) является принципиальным тестом на предмет выживания конкурирующих теорий.

В 1974 году в обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико Халсом и Дж. Тейлором зарегистрирован пульсар, который вел себя не стандартным (для пульсаров) образом, который из соображений удобства обозначим символом РХ. Период пульсаций РХ оказался очень коротким - всего 59 10-3с, а все попытки измерить этот период с точностью порядка 1 мкс оказались безуспешными. Вскоре было выяснено, что период пульсаций изменяется с течением времени и изменяется вполне закономерно. Кроме того, эти изменения были периодическими с периодом Торб = 7,75 часа. Из известных астрофизических законов отсюда следовало, что пульсар РХ является «спектральной двойной с единственной спектральной линией». Обработка спектральной информации показала, что РХ представляет собой связанную систему, состоящую из двух нейтронных звезд, одна из которых является короткопе-риодическим пульсаром. Эта система очень компактная. Ее размеры порядка радиуса Солнца.

Объект РХ представляет собой идеальную природную лабораторию по наблюдению и верификации различных релятивистских гравитационных эффектов. Эти ожидания вскоре оправдались, поскольку было обнаружено, что орбита пульсара РХ совершает прецессию с колоссальной скоростью Аф = 4,2 гград. Вскоре после

год

этого были разработаны релятивистские тесты, основанные на ОТО, которые позволили эффективно обработать наблюдательные данные, поступающие от системы РХ и непротиворечивым образом определить характеристические параметры исследуемой системы.

Обратим внимание на то, что не наблюдательные данные применялись для обоснования ОТО, а наоборот, релятивистская гравидинамика при-

г

0

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

В.В. Дятлов

9 -е-

153 О X -а н

е

к из о. О

г-.. га

в

-10 -

-12 -

-14 -

1975

1УЯ0

19И5

1УТО

Годы

Рис. 2. Накопленные времена сдвига периастра в системе РХ (Р8Я 1913+16), отнесенные к предполагаемой орбите с постоянным периодом. Пульсар проходит через периастр все раньше и раньше по мере уменьшения периода. Сплошная линия соответствует предсказанию общей теории относительности для измеренных значений масс компонент двойного пульсара. Точками нанесены данные наблюдений

менялась для точного расчета различных физических параметров исследуемой системы. Для обсуждаемой системы были обнаружены и проверены все основные релятивистские эффекты, которые должны наблюдаться в релятивистской гравидинамике. Однако система PХ потенциально обладала и еще одним уникальным свойством. Гравидинамические параметры пульсара РХ оказались такими, что они позволили зафиксировать потерю кинетической энергии вращательного движения, которую уносили с собой генерируемые этой системой гравитационные волны. Впервые в истории физической науки с высокой достоверностью и точностью был зафиксирован факт существования гравитационных волн. Торможение вращательного движения пульсара РХ гравитационным излучением приводит к фазовому сдвигу состояния вращательного движения, определяемому законом (14). Наблюдая за пульсаром PХ в течение 20-летнего тайминга, Р. Халс и Дж. Тейлор получили для фазового сдвига N (г) результат, который представлен на рисунке 2.

Полученные экспериментальные данные подтверждают ОТО с точностью лучшей, чем 0,4%. Эксперимент по таймингу пульсара РХ дает прямое доказательство, что гравитационные возмущения в физическом вакууме распространяются со скоростью света и тем самым создают механизм диссипации энергии орбитального движения двойной системы РХ. Отсюда с необходимостью следует, что гравитационное излучение существует и имеет квадрупольный характер. Из анализа кривой, представленной на рисунке 2, получается, что параметр соответствующей «экспериментальной» параболы

р = 0,04 -

г. Этот экспериментальный резуль-

(год)2'

тат находится в хорошем согласии с результатом решения модельной задачи, рассмотренной выше.

Высокая надежность регистрации излучаемых сигналов, а также большая длительность измерений, позволили довести точность расчетов параметров орбиты пульсара РХ до 10-14. Последнее обстоятельство делает ОТО самой точной и проверяемой областью современной физической науки.

с

Подведем итог обзору основных теоретических положений и эмпирических проявлений релятивистской гравидинамики (ОТО). Релятивистская физика «управляет Миром» во всем диапазоне физических явлений и процессов от вселенской космологии до явлений микромира. Это диктует настоятельную необходимость знакомить учащихся на различных этапах образовательного процесса с великими свершениями современной физики.

Примечание

1 Ниже мы будем называть ее «прямой задачей Эйнштейна» релятивистской гравидинамики.

Библиографический список

1. Вайнберг С. Гравитация и космология. -Волгоград: Планета, 2000.

2. Эйнштейн А., Инфельд Л. Гравитационные уравнения и проблема движения. Ч. 1-2 // Собрание научных трудов. Т. 2. - М.: Наука, 1966. -С. 450-491, 532-542.

3. Бим Дж., Эрлих П. Глобальная лоренцева геометрия. - М.: Мир, 1985.

4. Черпащук А.М., Чернин А.Д. Вселенная, жизнь, черные дыры. - Фрязино: Век-2, 2004.

5. Жирное Н. И. Классическая механика. - М.: Просвещение, 1980.

6. Халс Р.А. Открытие двойного пульсара: Нобелевская лекция; Тэйлор Дж.Х. Двойные пульсары и релятивистская гравитация: Нобелевская лекция // УФН. - 1994. - Т. 164. - №7. -С. 743-764.

7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. -М.: ГИФМЛ, 1960.

В.В. Дятлов

ПОЛИВАРИАНТНОСТЬ СТРУКТУРЫ ОСОБЕЙ QUERCUS ROBUR ^ В УСЛОВИЯХ ФИТОЦЕНОЗОВ РЕЧНЫХ ПОЙМ НЕКОТОРЫХ РАЙОНОВ

КОСТРОМСКОЙ ОБЛАСТИ

Согласно современным научным представлениям, выделение различных уровней организации особей позволяет выявить как наиболее специфичные для вида особенности развития, так и результаты взаимодействия данной особи с конкретными условиями среды. На сегодня при изучении проблем морфогенеза растений в ботанической науке все больше внимания уделяется различным аспектам структурной организации деревьев (Антонова, Азова, 1999; Антонова, Николаева, 2002; Савиных, 2002, 2003).

В ходе данной работы исследована поливариантность строения побеговых систем, лежащих в основании ствола, и крупных ветвей у особей дуба черешчатого ^иегси&' гоЬиг L.) в ценопопуляциях, произрастающих в пойменных фитоценозах Костромского и Шарьинско-го районов Костромской области, по территории которой проходит северная граница современного ареала данного вида. Исследованы кроны особей дуба различных онтогенетических состояний, уровней жизненности в естественных условиях произрастания с разнообразными эколого- и фитоценотическими условиями (табл.).

Единицей описания отдельных ветвей дуба служили крупные скелетные ветви, что позволило выделить закономерности строения всего дерева. В кронах дубов отмечены скелетные ветви разной длины: от 2-3 м в нижней части кроны до 5-7 м в средней части и на верхушке. Установлено, что размер и количество скелетных ветвей у особей дуба может служить показателем интенсивности роста всего дерева в целом: чем больше количество удлиненных скелетных ветвей, тем выше интенсивность роста.

Установлено, что густота ветвления находится в прямой зависимости от условий освещения. Так, максимальное значение показателей густоты ветвления отмечено для деревьев Q. гоЬиг открытых мест, где степень ветвление в два-три раза выше, чем у особей дуба, находящихся в составе древостоя, особенно смешанного -с примесью липы и клена, где особи дуба испытывают световой голод.

В процессе сопоставления значимых признаков структуры кроны у особей дуба, произрастающих в различных фитоценотических условиях, был выявлен ряд закономерностей, определяющих характер формирования кроны в целом. Так, наиболее чувствительными к условиям про-

© В.В. Дятлов, 2006

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ♦ № 4, 2006

11