Жуковский продолжал:
— Отстаивая достоинства геометрического метода исследования, я далек от мысли об его исключительности. Механика должна равномерно опираться на анализ и геометрию, заимствуя от них то, что наиболее подходит к существу задачи. Своими новыми методами: исследованием интегралов по дифференциальным уравнениям, изысканием признаков, при которых существуют алгебраические интегралы, и т. д., — анализ дает нам могущественное орудие для разрешения задач динамики. Но последняя обработка решений задачи всегда будет принадлежать геометрии. Геометрия всегда будет являться художником, создающим окончательный образ построенного здания...
Чаплыгин про себя подумал: «Насчет художника учитель, пожалуй, хорошо сказал. И вообще он, наверное, прав. Хотя мне по душе — анализ».
МАГИСТР ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ
1894 год богат событиями в жизни Чаплыгина. В марте он становится приват-доцентом кафедры прикладной математики Московского университета. Осенью женится на Екатерине Владимировне Арно, урожденной Льеж.
Поразительная судьба женщины, у которой он снимал комнату на Троицкой улице. Француженка по отцу, она родилась в Петербурге. Рано осталась без родителей, воспитывалась у дяди. В шестнадцать лет вышла замуж по любви за молодого инженера. Через два года он умер от чахотки. Остался маленький сын, через год разделивший участь отца. Екатерина Владимировна стойко перенесла свалившиеся на нее несчастья, не ожесточилась, не очерствела сердцем. Она переехала в Москву, стремясь забыть угрюмую столицу, где видела столько смертей близких. Жила она уроками французского языка и сдачей комнат студентам. Так судьба свела ее с Чаплыгиным.
В августе следующего года у них родилась дочь, ее нарекли Ольгой.
Материальное положение молодой семьи отнюдь не блестяще. Приват-доцентура дает весьма скромный заработок. Чаплыгин ищет более подходящие места. Он принимает должность преподавателя математики и механики в Константиновском межевом институте и в Московском техническом училище. Затем назначается штатным преподавателем теоретической механики Инженерного училища министерства путей сообщения и одновременно оставляет приват-доцентуру в университете. Через несколько месяцев Чаплыгин прощается и с Екатерининским институтом.
Близилась защита магистерской диссертации «О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости». Она состоялась 20 марта 1898 года. Оппонентами выступали Н. Е. Жуковский и Б. К. Млодзеевский. В рецензии на исследование ученика Николай Егорович, выделяя наиболее близкое ему, в частности, писал: «Сочинение С. А. Чаплыгина представляет вполне самостоятельный труд, который вместе с его прежними работами по тому же вопросу является в литературе единственными исследованиями по геометрической интерпретации движения твердого тела в жидкости. Можно сказать, что картина этого сложного движения теперь рисуется в воображении только благодаря исследованиям С. А. Чаплыгина».
Степень магистра прикладной математики была присуждена Сергею Алексеевичу единогласно.
Научные интересы Чаплыгина в эти годы строго очерчены, ясны и логичны, как все, чем он занимается в жизни.
Мстислав Всеволодович Келдыш так впоследствии напишет о пути Сергея Алексеевича: «Будучи молодым ученым, он входит в круг интересов, занимавших в то время университетских математиков и механиков, и его первые работы относятся к области классической механики. В то время университетская наука была весьма мало связана с техническими приложениями. Интересы механиков были направлены на решение вопросов, связанных с астрономией и физикой, и частично на... решение ряда трудных задач классической механики, возникших значительно раньше и не находивших долгое время решения. Многие из этих задач представляли большой принципиальный интерес...
В тот первый период своей деятельности Чаплыгин целиком направляет свои силы на задачи классической механики. Работы его в этой области показали, что он является блестящим ученым, владеющим самыми сложными аналитическими методами науки, извлекающим из них ясные геометрические закономерности движения».
Итак, классическая механика — два направления поиска: движение тел при наличии так называемых неголономных связей и движение твердого тела вокруг неподвижной точки.
Неголономные связи — важный раздел механики, изучающий движение тела в определенных ограничениях, налагаемых не только на положение тела, но и на его скорость. Такие связи нельзя свести к геометрическим условиям и проинтегрировать их уравнения. Приведем пример: шар катится без скольжения по шероховатой жесткой поверхности. Для шара это неголономная связь, так как в точке его соприкосновения с поверхностью скорость равна нулю и уравнение связи не интегрируется. Подобных примеров движения много: скажем, велосипед, направляющие ролики счетных приборов, планиметров, интеграторов...
Для математика тут огромное поле деятельности. Ведь исследовать подобное движение крайне трудно — к нему неприменимы дифференциальные уравнения Лагранжа в обычном виде. А вот финский математик Линделеф не учел это обстоятельство и незаконно применил в задаче о катании тела по плоскости общее уравнение Лагранжа. Чаплыгин обратил внимание на ошибку и выполнил свое исследование.
Впервые он вывел общие уравнения движения неголономных систем, опередив иностранных ученых, позднее выполнивших то же самое. Уравнения Чаплыгина представляют собой обобщенные уравнения Лагранжа, но с добавочными членами.
Эта и другие работы Сергея Алексеевича в той же области неопровержимо подтвердили: в России появился новый выдающийся математик.
Классические исследования Чаплыгина по теории движения тела в жидкости и по движению тела с неинтегрируемыми связями коллеги очень скоро оценили по достоинству. Они были по инициативе Н. Е. Жуковского представлены в Академию наук на соискание премии графа Д. А. Толстого и удостоены Большой почетной золотой медали.
Второе направление поиска, как уже говорилось, вытекало из выдающихся работ Софьи Ковалевской. Надо отметить, что изучение движения твердого тела вокруг неподвижной точки имело (и имеет) большое практическое значение. Оно составляет основу теории сферического маятника и гироскопических явлений, динамики корабля, самолета, ракеты. Применение нашли, например, маятниковые часы, баллистические, гравитационные маятники. Гироскопические приборы, в свою очередь, широко используются на судах, в танках, самолетах, в том числе для автоматического управления движением морских и воздушных кораблей, реактивных снарядов, ракет. Без таких приборов трудно обойтись в астрономии, буровом деле.
Интерес к движению тела вокруг неподвижной точки у классической механики давний. Ему, в частности, отдал дань петербургский академик, швейцарец по происхождению, Леонард Эйлер (1707—1783). Он впервые решил задачу для случая, когда неподвижная точка является центром тяжести. Затем француз Жозеф Луи Лагранж (1736—1813) рассмотрел случай, когда центр тяжести не находится в неподвижной точке, но лежит на оси симметрии тела.
В 1888 году Парижская академия наук присудила премию математической работе, представленной на конкурс под девизом: «Говори, что знаешь; делай, что обязан; будь, чему быть». В течение предыдущих пятидесяти лет подобная премия полностью (три тысячи франков) присуждалась только трижды. На этот раз академическая комиссия, признавшая конкурсную работу «замечательным трудом, который содержит открытие нового случая», решила наградить автора не просто полной, но даже увеличенной премией — пять тысяч франков.
Автором была Софья Васильевна Ковалевская, выполнившая, как уже было отмечено выше, исследование по движению твердого тела вокруг неподвижной точки. Труд этот стал классическим. После Эйлера и Лагранжа Ковалевская сумела сделать огромный шаг вперед, найдя новый случай движения не вполне симметричного гироскопа. (Скажем к месту, что наша Академия наук пятидесятилетие этого выдающегося открытия ознаменовала выпуском сборника, посвященного памяти Софьи Васильевны. Одним из двух ответственных редакторов его был Сергей Алексеевич Чаплыгин.)
Однако — вспомним слова Келдыша! — далеко не сразу теоретические работы математиков и механиков находили практическое приложение. Историки науки указывают, что определенный поворот здесь наметился в основном в конце прошлого века. Взять, к примеру, тот же гироскоп. Не так еще давно он был объектом сугубо академического интереса, но уже в восьмидесятых годах гироскопический принцип был использован в устройствах, делающих устойчивым полет мин.
Общеизвестно, что Н. Е. Жуковский как раз и принадлежал к тому типу ученых-теоретиков, которые больше думали о практическом приложении своих исследований, нежели о том, чтобы самоцельно обогатить классику еще одним частным случаем движения. В том же духе он воспитывал своих учеников. Но между Жуковским-учителем и Чаплыгиным-учеником есть все-таки существенная разница. Как-то Жуковский произнес такие слова: «Один путь в механике шел от Галилея через Ньютона, Лагранжа и Якоби, другой путь тоже шел от Галилея через Гюйгенса и через Пуансо. Я предпочитаю теперь последний...» А вот Чаплыгину оказался ближе первый, и все пять работ, выполненных им в самом начале творческой деятельности, свидетельствуют об этом.
Некоторые биографы Жуковского и Чаплыгина идут еще дальше и разделяют их не только в связи с приверженностью тому или иному методу исследования. Они говорят: в то время как Жуковский все больше и больше склонялся к решению прикладных технических проблем, Чаплыгина влекли иные горизонты — разработка теории, общих принципов науки.
Справедливо ли такое мнение? Вероятно, справедливо, если при этом не подразумевать наличия непроходимой пропасти между научными исканиями Чаплыгина и их тогдашним практическим значением. Тут, по всей видимости, суть в том, что понимать под практическим значением математики, одной из самых абстрактнейших наук, — решение какой-либо частной инженерной задачи или фундаментальное исследование, польза которого не столь сиюминутно очевидна. Как говорил французский математик Пуанкаре, «наука, созданная исключительно в прикладных целях, невозможна; истины плодотворны только тогда, когда между ними есть внутренняя связь. Если ищешь только тех истин, от которых можно ждать непосредственных практических выводов, то связующие звенья исчезают и цепь разрушается».