Первые шаги в науке

Константин Эдуардович Циолковский — выдающийся русский ученый, исследователь огромной трудоспособности и настойчивости, человек большого таланта. Широта и богатство творческой фантазии сочетались у него с логической последовательностью и математической точностью суждений. Это был подлинный новатор в науке. Наиболее важные и жизнеспособные исследования Циолковского относятся к обоснованию теории реактивного движения. В последней четверти XIX и начале XX столетия, когда Константин Эдуардович создавал новую науку, определяющую законы движения ракет, и разрабатывал первые конструкции для исследования безграничных мировых пространств реактивными приборами, многие считали реактивные двигатели и ракетную технику делом бесперспективным и ничтожным по своему практическому значению, а ракеты — пригодными лишь для увеселительных фейерверков и иллюминаций.

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 года в селе Ижевском, Спасского уезда, Рязанской губернии, в семье лесничего Эдуарда Игнатьевича Циолковского. О своих родителях Циолковский писал: «Отец всегда был холоден, сдержан. Среди знакомых он слыл умным человеком и оратором. Среди чиновников -красным и нетерпимым по своей идеальной честности... У него была страсть к изобретательству и строительству. Меня еще не было на свете, когда он придумал и устроил молотилку. Увы, неудачно! Старшие братья рассказывали, что он строил с ними модели домов и дворцов. Всякий физический труд отец в нас поощрял, как и вообще самодеятельность. Мы почти все делали сами. Мать была совершенно другого характера — натура сангвиническая, горячка, хохотунья, насмешница и даровитая. В отце преобладал характер, сила воли, в матери — талантливость».

Первые годы детства Константина Эдуардовича были счастливыми. Он был живым, смышленым ребенком, предприимчивым и впечатлительным. Летом мальчик строил с товарищами в лесу шалаши, любил лазить на заборы, крыши и деревья. Много бегал, играл в мяч, лапту, городки. Часто запускал змея и отправлял ввысь по нитке «почту» — коробочку с тараканом. Зимой с увлечением катался на коньках.

Циолковскому было лет восемь, когда мать подарила ему крошечный воздушный шар (аэростат), выдутый из коллодиума и наполненный водородом. Будущий создатель теории цельнометаллического дирижабля с удовольствием занимался этой игрушкой. Вспоминая об этих годах детства, Циолковский писал: «Я страстно любил читать и читал все, что можно было достать... Любил мечтать и даже платил младшему брату за то, чтобы он слушал мои бредни. Мы были маленькие, и мне хотелось, чтобы и дома, и люди, и животные — все тоже было маленькое. Потом я мечтал о физической силе. Я мысленно высоко прыгал, взбирался, как кошка, на шесты, по веревкам. Мечтал о полном отсутствии силы тяжести».

На десятом году жизни — в начале зимы — Циолковский, катаясь на санках, простудился и заболел скарлатиной. Болезнь была.тяжелой, и вследствие ее осложнения мальчик почти совершенно потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. «Глухота делает мою биографию малоинтересной, — пишет позднее Циолковский, — ибо лишает меня общения с людьми, наблюдения и заимствования. Моя биография бедна лицами и столкновениями». С 10 до 14 лет жизнь Циолковского была «самым грустным, самым темным временем».

С 14 лет Константин Эдуардович начал заниматься самостоятельно, пользуясь небольшой библиотекой своего отца, в которой были книги по естественным наукам и по математике. Тогда же в нем пробуждается страсть и к изобретательству. Он строит воздушные шары из тонкой папиросной бумаги, делает маленький токарный станок и конструирует коляску, которая должна была двигаться при помощи ветра. Модель коляски прекрасно удалась и двигалась на крыше по доске, даже против ветра, «Проблески серьезного умственного сознания, — пишет Циолковский об этом периоде своей жизни, — проявились при чтении. Так, лет четырнадцати я вздумал почитать арифметику, и мне показалось все там совершенно ясным и понятным. С этого времени я понял, что книги — вещь немудреная и вполне мне доступная. Я стал разбирать с любопытством и пониманием некоторые отцовские книги по естественным и математическим наукам. И вот меня увлекает астролябия, измерение расстояния до недоступных предметов, снятие планов, определение высот. И я устраиваю астролябию — угломер. С помощью нее, не выходя из дома, определяю расстояние до пожарной каланчи. Нахожу 400 аршин. Иду и проверяю. Оказывается верно. С этого момента я поверил теоретическому знанию».

Выдающиеся способности, склонность к самостоятельной работе и несомненный талант изобретателя заставили родителей К. Э. Циолковского задуматься над его будущей профессией и дальнейшим образованием. Константину Эдуардовичу было 16 лет, когда отец решил отправить его в Москву для знакомства с промышленностью и продолжения самообразования. Один из лучших знатоков биографии Циолковского инженер Б. Н. Воробьев пишет: «Как и многие юноши и девушки, стекавшиеся в столицу для получения образования, он был полон самых радужных надежд. Но никто и не думал обращать внимание на молодого провинциала, всеми силами стремившегося к сокровищнице знаний. Тяжелое материальное положение, глухота и практическая неприспособленность к жизни меньше всего способствовали выявлению его талантов и способностей».

Из дома Циолковский получал 10—15 рублей в месяц. Питался одним черным хлебом, не имел даже картошки и чаю. Зато покупал книги, реторты, ртуть, серную кислоту и прочее для различнейших опытов и самодельных приборов. «Я помню, — пишет Циолковский в своей биографии, — что, кроме воды и черного хлеба, у меня тогда ничего не было. Каждые три дня я ходил в булочную и покупал там на 9 копеек хлеба. Таким образом, я проживал в месяц 90 копеек...» «Все же я был счастлив своими идеями, и черный хлеб меня нисколько не огорчал».

Кроме проведения опытов по физике и химии, Циолковский много читал; он тщательно изучал курсы начальной и высшей математики, аналитической геометрии, высшей алгебры. Часто, разбирая какую-нибудь теорему, Циолковский старался сам найти доказательство. Это ему больше нравилось, хотя и удавалось не всегда. В эти годы зарождается у Циолковского мысль о завоевании человеком мировых пространств. Был момент, когда ему показалось, что можно подняться в космическое пространство, используя свойства центробежной силы.

Механизм придуманного Циолковским прибора состоял из закрытой камеры или ящика, в котором вибрировали два повернутых вверх маятника с массивными шарами на концах. Шары двигались по дугам окружностей, а центробежная сила шаров должна была, по мысли юноши, поднимать кабину и нести ее в межпланетное пространство.

«Я был так взволнован, даже потрясен, что не спал всю ночь — бродил по Москве — и все думал о великих следствиях моего открытия. Но уже к утру я убедился в ложности моего изобретения. Разочарование было так же сильно, как и очарование. Эта ночь оставила след на всю мою жизнь; через 30 лет я еще вижу иногда во сне, что поднимаюсь к звездам на моей машине и чувствую такой же восторг, как в ту незапамятную ночь».

Необходимо отметить, что к занятиям по высшей математике, механике, физике, химии Циолковский пришел под влиянием своих изобретательских предложений. Так, изучение аэродинамики он начал для обоснования аэродинамического расчета дирижабля; органическую химию Циолковский подробно штудировал в поисках наиболее калорийных топлив для реактивных двигателей, а его исследования по астрономическим вопросам обусловлены постоянным вниманием к межпланетным путешествиям. В одной из своих работ он пишет, что «мысль о сообщении с мировым пространством не оставляла меня никогда. Она побудила меня также заниматься высшей математикой». Таким образом, на общеинженерный цикл дисциплин (математика, механика, физика, химия) К. Э. Циолковский смотрел как на необходимый инструмент ученого при конкретных исследованиях технических проблем.

Вот некоторые из вопросов, которые особенно занимали молодого Циолковского:
«Нельзя ли практически воспользоваться энергией движения Земли? Тогда же я нашел ответ: — Нельзя.
Нельзя ли устроить поезд вокруг экватора, в котором не было бы тяжести от центробежной силы? Ответил сам себе отрицательно: нельзя. Этому помешает сопротивление воздуха и многое другое.
Нельзя ли строить металлические аэростаты, не пропускающие газа и вечно носящиеся в воздухе? Ответил: можно.
Нельзя ли эксплуатировать в паровых машинах высокого давления мятый пар? Ответил также, что можно».

Обращает внимание крайняя независимость и самостоятельность юноши. Он сам составлял программу своих теоретических занятий и необходимых опытов. Работая систематически в библиотеке, он широко пользовался известными в XIX веке учебниками по механике, физике, химии и математике, написанными выдающимися русскими учеными — деятелями высшей школы. Так, после изучения курса физики средней школы Циолковский тщательно проработал курс наблюдательной физики профессора Петербургского университета Ф. Ф. Петрушевского, а по химии он тщательно конспектировал знаменитую книгу профессора Д. И. Менделеева «Основы химии». Учился Циолковский совершенно самостоятельно. «Учителей у меня не было. Меня можно считать самоучкой чистой крови», — писал Константин Эдуардович профессору Н. А. Рынину в 1926 году.

Странный вид имел он в эту пору своей жизни. Константин Эдуардович вспоминает: «Благодаря главным образом кислотам я тогда ходил в штанах с желтыми пятнами и дырами. Мальчики на улице замечали мне — что это, мыши что ли изъели ваши брюки? — Затем носил длинные волосы, просто оттого, что некогда было их стричь». «Что я читал в Москве и чем увлекался? — пишет в автобиографии Циолковский. — Прежде всего точными науками. ...Известный публицист Писарев заставлял меня дрожать от радости и счастья... Из беллетристических произведений наибольшее впечатление производили на меня романы и рассказы Тургенева, в особенности его «Отцы и дети».

Учась в Москве, Циолковский вел переписку с отцом, «был счастлив своими мечтами и никогда не жаловался». Он брал в публичных библиотеках книги и журналы. В автобиографии Циолковский пишет: «Помню механику Вейсбаха и Брашмана, ньютоновские «Принципы» и другие. Из журналов за все годы перечитал: «Современник», «Дело», «Отечественные записки». Эти журналы имели на меня громадное влияние».

Кто-то из знакомых семьи Циолковских, будучи в Москве, встретил Константина на улице и был поражен его худобой и утомленным видом. Константин Эдуардович вспоминает: «Отец пригласил меня «под благовидным предлогом» приехать к семье». «Дома обрадовались, только изумились моей черноте. Очень просто — я «съел» весь свой жир».

Результатом постоянного недоедания было сильное физическое истощение и расстройство зрения. Именно с этих пор Циолковский начал носить очки.

Три года прожил Циолковский в Москве, а затем, вернувшись домой к отцу, стал давать частные уроки по математике и физике плохоуспевающим гимназистам. Несомненные педагогические способности и хорошие отзывы об этих частных уроках решили вопрос о выборе профессии. Осенью 1879 года Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя народного училища, а месяца через четыре он был назначен на должность учителя арифметики и геометрии в Боровское уездное училище Калужской губернии.

По рекомендации жителей Боровска Циолковский «попал на хлеба к одному вдовцу с дочерью, жившему на окраине города» Е. Н. Соколову. Ему сдали две комнаты и стол из супа и каши. Дочь Соколова Варя была ровесницей Циолковского — моложе его всего на два месяца. Ее характер, трудолюбие пришлись по душе Константину Эдуардовичу, и вскоре Циолковский на ней женился. В автобиографии он пишет: «Венчаться мы ходили за 4 версты пешком, не наряжались. В церковь никого не пускали. Вернулись — и никто о нашем браке ничего не знал... Помню, в день венчания купил у соседа токарный станок и резал стекло для электрических машин. Все же про свадьбу как-то пронюхали музыканты. Насилу их выпроводили. Напился только венчавший поп. И то угощал его не я, а хозяин».

В своей квартире в Боровске Циолковский устроил маленькую лабораторию. У него в доме сверкали электрические молнии, гремели громы, звонили колокольчики, загорались огни, вертелись колеса и блистали иллюминации. Константин Эдуардович «... предлагал желающим попробовать ложкой невидимого варенья. Соблазнявшиеся угощением получали электрический удар. Посетители любовались и дивились на электрического осьминога, который хватал всякого своими лапами за нос или за палец, и тогда у попавшего к нему в «лапы» волосы становились дыбом и выскакивали искры из любой части тела».

В 1881 году 24-летний Циолковский самостоятельно разработал основы кинетической теории газов. Работу он послал в Петербургское физико-химическое общество, где она получила одобрение видных членов общества, в том числе и гениального русского химика Менделеева. Однако важные открытия, сделанные Циолковским в глухом провинциальном городке, не представили новости для науки; аналогичные открытия были сделаны несколько раньше в Германии. За вторую научную работу, названную «Механика животного организма», Циолковского единогласно избирают членом физико-химического общества. Эту моральную поддержку своим первым научным исследованиям Циолковский вспоминал с благодарностью всю свою жизнь. В предисловии ко второму изданию своей работы «Простое учение о воздушном корабле и его построении» Константин Эдуардович писал: «Содержание этих работ несколько запоздало, т. е. я сделал самостоятельно открытия, уже сделанные ранее другими. Тем не менее общество отнеслось ко мне с большим вниманием, чем поддержало мои силы. Может быть, оно и забыло меня, но я не забыл гг. Боргмана, Менделеева, Фан-дер-Флита, Петрушевского, Бобылева и в особенности Сеченова».

В 1883 году Константин Эдуардович написал в форме научного дневника работу «Свободное пространство», в которой он подверг систематическому изучению ряд задач классической механики в пространстве без действия силы тяжести и сил сопротивления. В этом случае основные характеристики движения тел определяются только силами взаимодействия между телами данной механической системы и особое значение для количественных выводов приобретают законы сохранения основных кинетических величин: количества движения, момента количества движения и кинетической энергии.

Циолковский дает многочисленные примеры и красочные описания явлений в пространстве без действия внешних сил. Вот некоторые из его записей:

24 февраля 1883 года...— «В свободном пространстве наблюдаемое тело не давит на опору и обратно. Поэтому, если бы в свободном пространстве нужны были жилища, то, как бы они ни были велики, они не могли сами собой разрушиться от своей непрочности. Целые горы и дворцы, произвольной формы и величины, могли бы держаться без всякой поддержки и связи с опорою. Если я встану на острие у поверхности Земли, то оно проколет мою ногу; если же это случится в свободном пространстве, то мое тело не будет давить на иглу и там я могу стоять на острие штыка так же спокойно, как на ровном полу.
На земле в руках я не удержу 4 пуда, а в свободном пространстве тысяча пудов нисколько не отяготит мою руку или мой мизинец.

...В свободном пространстве нет ни верха, ни низа... Там нельзя сказать: я поднимаюсь, я опускаюсь, я выше, вы ниже; ...там маятник не качается и часы не ходят. Но время можно отлично узнавать посредством карманных часов или, вообще, посредством часов, у которых маятник качается не силой тяжести, а упругостью стальной пружины».

Движение тел в свободном пространстве может происходить только за счет обмена количествами движения между отдельными телами. Здесь будет справедлива теорема теоретической механики о сохранении количества движения.

В самом деле, если механическая система находится под воздействием только внутренних сил, тогда теорема об изменении количества движения системы дает:2015-06-09 12-18-46 Скриншот экрана,откуда следует: 2015-06-09 12-19-35 Скриншот экрана (1), где 2015-06-09 12-20-37 Скриншот экрана —начальное количество движения системы. Формула (1) выражает закон сохранения количества движения.

Если в начальном положении скорости всех точек (тел) системы были равны нулю, тогда 2015-06-09 12-21-57 Скриншот экрана и, следовательно, в любой момент движения такой системы ее количество движения также будет равно нулю.

Представим себе, что в свободном пространстве имеется всего два тела: человек, вес которого на Земле равен 80 кГ, и камень весом 1 кГ. Пусть в начальный момент времени скорости человека и камня равны нулю. Если затем человек бросит камень, сообщив ему, например, скорость 16 м/сек, то он сам начнет двигаться в противоположную сторону. Из закона сохранения количества, движения (1) в проекции на прямую, по которой движутся человек и камень, мы получим:

2015-06-09 12-23-56 Скриншот экрана

откуда

2015-06-09 12-25-54 Скриншот экрана(2)
где р — вес на Земле камня, а Р — вес человека. Из формулы (2) следует, что величина скорости человека будет равна 1/5 м/сек, или 20 см/сек.

Рассмотрение этого примера показывает нам, что для перемещения в свободном пространстве наиболее естественным является способ отбрасывания кусков материи, т. е. реактивный способ сообщения движения. Если частицы вещества отбрасывать непрерывно, то мы получим простейшую ракету. Это осознал и Циолковский. Вот его запись от 28 марта 1883 года: «...Положим, что дана бочка, наполненная сильно сжатым газом. Если отвернуть один из ее тончайших кранов, то газ непрерывной струей устремится из бочки, причем упругость газа, отталкивающая его частицы в пространство, будет также непрерывно отталкивать и бочку. Результатом этого будет непрерывное изменение движения бочки.

...Посредством достаточного количества кранов (шести) можно так управлять отбрасыванием газа, что движение бочки или полого шара будет совершенно зависеть от желания управляющего кранами, т. е. бочка может описать какую угодно кривую и по какому угодно закону скоростей... Вообще, равномерное движение по кривой или прямолинейное неравномерное движение сопряжено в свободном пространстве с непрерывною потерею вещества».

В этих записях Циолковского еще нет количественных зависимостей, все рассуждения и утверждения носят чисто качественный характер. Основой всех этих заключений являются известные в теоретической механике законы сохранения количества движения и момента количества движения для механических систем, находящихся под действием только внутренних сил (сил взаимодействия). Но совершенно очевидно, что реактивный способ сообщения движения привлекал внимание Константина Эдуардовича на самых первых ступенях его самостоятельной научной деятельности.

Позднее (в 1897 году) эти качественные суждения будут облечены Циолковским в строгую математическую форму и числовые расчеты дадут точную инженерную оценку преимуществ ракеты.

Начало самостоятельной научной работы протекало у Циолковского в очень своеобразных условиях. С точки зрения какого-нибудь правоверного доктринера от науки, заниматься научным творчеством Циолковскому вообще было невозможно. В самом деле, представьте себе тихий провинциальный городок Боровск в восьмидесятых годах прошлого века, расположенный вдали от магистральных дорог страны. Ни библиотеки, ни научных журналов, ни лабораторий. Он учитель городского двухклассного училища, программы которого по физике и математике касаются только самых элементарных истин. Интересы коллег не поднимаются выше обсуждений чисто методических вопросов. Газеты приходят с недельным опозданием. И Циолковский делает почти невероятное! Пользуясь отдельными замечаниями о новых вопросах науки в учебниках, собственным запасом наблюдений в Москве, развивая последовательно принятую им методику самостоятельных доказательств и исследований уже известного, он начинает чувствовать новые насущные проблемы научно-технического прогресса. Возникшую идею Циолковский не может проверить по изданной литературе — ее в Боровске просто нет — он ведет все исследование от начала до логического конца самостоятельно, в полной уверенности, что родившаяся у него идея нова и никем не обследована. В случае удачи работа оформляется и отправляется на суд официальной науки в столицу.

«Сначала я делал открытия давно известные, потом не так давно, а затем и совсем новые», — пишет Циолковский в своей автобиографии. Совпадение найденных результатов с открытиями других ученых лишь убеждало его в собственных силах, собственном таланте.

Циолковский имел прекрасную память, сохранившуюся до самых последних дней его жизни. В зрелом возрасте он не любил делать большие выписки из работ других авторов. Уловив основную мысль какой-нибудь работы или ознакомившись с постановкой какой-либо интересной задачи, он предпочитал собственные доказательства, проводимые независимо и самостоятельно. Такой способ освоения добытых наукой данных требовал колоссального количества умственной энергии, но Циолковский предпочитал его другим.

Уже в первых работах Константина Эдуардовича виден самобытный, оригинальный ум. Он умеет выбирать темы для размышлений и находить решения, Открывающие новые пути в науке. Характерна для него ясная и отчетливая постановка научно-технических проблем. Для популяризации своих идей он обычно использует красочные примеры, убедительно раскрывающие суть дела. Для доказательств используются самые простые математические средства. Полученные результаты и следствия из них подвергаются тщательному анализу. Циолковский умел видеть за теоретическими расчетами подлинную горячую жизнь техники, борьбу заскорузлых, отмирающих академических школ с новыми идеями. Он умел настойчиво и последовательно добиваться победы нового в труднейших условиях творческого труда. Его крайняя самостоятельность и оригинальность в научных исканиях граничат иногда с пренебрежением к общепринятым нормам. Однако он тщательно разбирает все критические замечания оппонентов по достигнутым им результатам и умеет аргументированно отстаивать свои научные убеждения. Циолковский глубоко принципиален в своих творческих исканиях, а его умение самостоятельно работать над научными проблемами — великолепный пример для всех начинающих. Его первые шаги в науке, сделанные в труднейших условиях, — это шаги большого мастера, революционного новатора, зачинателя новых направлений и в науке и в технике.