Не блестяще обстояли дела и с математикой, физикой, историей и политической экономией. Преподавание математики велось скучно, без вдохновения. Способности к математике у Сергея не было. «...С грехом пополам отвечал и сдавал экзамены, но пришел в университет с очень плохим математическим багажом. Это очень печально, и многое мне в дальнейшем затруднило».
В начале пребывания в училище Сергей ленился, некоторыми предметами занимался кое-как, чем нередко навлекал на себя гнев родителя. Александр Николаевич Ипатьев, опираясь на рассказы своей матери Александры Ивановны и бабушки Александры Михайловны, писал: «Николай и Лидия учились очень хорошо, доставляя родителям в этом отношении только радости. Другое дело Сергей. Его нередко драл дед Иван Ильич за лень и плохие отметки. Нельзя, однако, отказать Сергею Ивановичу в склонности к физике даже в столь юном возрасте, на поприще которой он достиг выдающихся высот. С помощью чернил «Смерть» он переделывал в своей ученической ведомости двойки на пятерки и, если все-таки бывал разоблачен, то, ожидая порки, подкладывал себе в брюки лист картона, чтобы смягчить боль, причиняемую родительским гневом. Сам Сергей Иванович не отрицал впоследствии этих своих «физических» опытов».
Сестер Александру и Лидию учили играть на фортепиано, для чего в дом был приглашен учитель музыки. Мальчики считали это занятие зазорным. Однако у Сережи был прекрасный слух, он рано научился понимать музыку, глубоко чувствовал ее, помнил целые оперы и нередко напевал из них.
С раннего детства у Сергея проявилась тяга к изучению природы. Он любил рассматривать и читать книжки про зверей и птиц, собирал и засушивал листья и травы, поражая окружающих разнообразием познаний из жизни животных и растений. Позднее он писал в дневнике: «Природу я люблю, но мне нужны от природы только тишина и не мешающая думать красота».
Несмотря на равнодушие Сергея ко многим предметам обязательной программы училища, он с большим интересом изучал физику и химию. Особенно его увлекали лабораторные опыты, которыми преподаватели сопровождали свои объяснения. Хотелось самому воспроизвести тот или иной опыт. Желание это поддерживал и старший брат Николай — большой авторитет для Сережи.
Тем временем дела Ивана Ильича быстро шли в гору. В 1905 году он продал свой дом в Никольском переулке и приобрел старинный деревянный особняк с двумя небольшими флигелями на Средней Пресне (ныне улица Заморенова, до наших дней дом не сохранился, снесен в 1924 году). Дом был с мезонином и состоял из одиннадцати комнат. Вспоминая о нем, Сергей Иванович писал: «Дом, старый дворянский, столетней давности, с колоннами внутри, с расписными стенами, с большим залом, с дверями красного дерева».
Зал переделали на три комнаты — спальню для родителей и комнаты для мальчиков. У Сергея была самая маленькая комната. Кто-то повесил в ней портреты Николая Гавриловича Чернышевского, члена петербургского «Союза борьбы за освобождение рабочего класса», Ивана Платоновича Каляева, казненного в мае 1905 года в Шлиссельбургской крепости, и известной в истории русской революции Марии Александровны Спиридоновой, в те времена отбывавшей бессрочную каторгу в Нерчинске.
Дом окружал старый запущенный, но очень хороший яблоневый сад. Во дворе располагались конюшня и другие хозяйственные постройки, в том числе небольшой сарай, который братья облюбовали для своих опытов.
Иван Ильич не жалел денег на расходы, связанные с обучением детей. В доме было много книг, с согласия родителей дети покупали все интересующие их издания. Так же обстояло дело и с экспериментальными увлечениями братьев. Сергей Иванович вспоминал, что он стал заводить банки с химикалиями, спиртовки, горелки, склянки, колбы и реторты. «У меня была целая большая полка с препаратами (штук 50), купленными на дареные деньги в аптеке у Феррейна. Вообще дорогу к Трындину за посудой, а к Феррейну за чистыми веществами я хорошо узнал лет с четырнадцати».
Известный советский кристаллограф академик Алексей Васильевич Шубников был одного возраста с Николаем Вавиловым и в те времена учился с ним вместе. В шестом классе Алеша Шубников с болышим трудом и немалыми материальными затратами построил для себя электрофорную машину. Он был очень рад, что машина дает искры длиной 5 сантиметров, и охотно демонстрировал ее всем желающим.
Слухи о машине дошли и до ученика младших классов Сережи Вавилова. Вскоре Шубников получил от него заказ изготовить такую же машину. На расходы и за труды Алеша получил 5 рублей — для него сумму невиданную. Через две недели Сергей стал счастливым обладателем электрофорной машины, которой пользовался в своих экспериментах.
Что сказать о влиянии на Сережу старшего брата? Разница в возрасте между братьями составляла четыре года. Это особенно ощутимо в детстве. Николай охотно покровительствовал маленькому братишке. Старший брат был смел, энергичен, силен, обладал твердым характером. При случае он, не раздумывая, вступал с обидчиком в драку, всегда мог постоять за себя и за своего гораздо менее решительного брата.
Всю последующую жизнь Николай и Сергей были очень близки, трогательно заботясь друг о друге. Сохранилось одно из писем Николая Ивановича из США, относящееся к 1921 году, в котором он писал: «Для Сергея достал одну книжку, которую он одобрит — отчеты всех физиков о новейших работах... Только что вышла, но боюсь посылать по почте. Очень дорогая — 6 долларов, и в ней кое-что для меня». Строки эти говорят о многом: здесь и забота о брате, и полная осведомленность о его делах, и свидетельство близости научных интересов братьев, несмотря на различие профессий.
Профессор Фатих Хафизович Бахтеев вспоминал: на одном из вечеров Николай Иванович Вавилов направился к телефону, сказав при этом: «А ну, как там Сергей?» Позже Бахтеев узнал, что, как бы поздно Николай Иванович ни возвращался домой, он всегда звонил любимому брату и начинал с ним ежевечерний долгий разговор. Николай Иванович очень высоко ценил талант брата, часто говорил: «Я-то что! Вот Сергей — это голова!»
При большом сходстве и огромной дружбе братья были очень разные. Профессор Эдуард Владимирович Шпольский рассказывал автору этой книги, что в молодые годы Сергей Иванович мало интересовался политикой. Постоянной темой его разговоров была физика. Николай Иванович, напротив, всегда интересовался последними событиями и быстро разбирался в их существе.
Вскоре после Октябрьской революции Э. В. Шпольский попал вместе с Вавиловыми в один дом, где возникли споры относительно обстановки в стране. Большинство присутствующих склонялось к тому, что в России произошел бунт, что его подавят, и все пойдет по-старому. Николай Иванович резко возразил, что это не бунт, а революция, и каждый патриот должен встать на ее сторону, активно помогая своему народу.
Большое влияние на формирование естественнонаучного мировоззрения Сергея оказали публичные лекции в Политехническом музее, которые он вместе с братом регулярно посещал. Московский политехнический музей был основан в 1872 году Обществом любителей естествознания, антропологии и этнографии. В его аудиториях выступали с научно-популярными лекциями многие выдающиеся ученые того времени: физик Александр Григорьевич Столетов, «отец русской авиации» Николай Егорович Жуковский, физиолог Климент Аркадьевич Тимирязев, почвовед Василий Робертович Вильямс и многие другие.
Особое впечатление на братьев произвели выступления естествоиспытателя-революционера Николая Александровича Морозова, освобожденного после революции 1905 года из Шлиссельбургской крепости, где он провел в заточении двадцать четыре года. Сергей Иванович писал: «Я помню вдохновенные доклады Н. А. Морозова в 1906 году... вызвавшие восторг тогдашней молодежи».
Став известным ученым, С. И. Вавилов сам часто поднимался на трибуну Политехнического музея, рассказывая о последних достижениях физической науки.
Лекции в Политехническом музее нередко сопровождались демонстрациями опытов, которые Сергей спешил воспроизвести в своем сарае. Постепенно он приблизился к самостоятельным экспериментам, пытаясь объяснить некоторые непонятные ему явления. Правда, в постановке этих экспериментов еще не было системы. Обратив внимание на какой-либо эффект, мальчик начинал размышлять о его происхождении, старался придумать опыт, который подтвердил бы его догадки.
Одно время Сергей увлекался ботаникой. Обзаведясь определителем растений, собрал большой гербарий. Обратив внимание на то, что многие весенние цветы имеют желтую окраску и стремясь объяснить заинтересовавшее его явление, стал изучать труды К. А. Тимирязева. Вместе с братом пытался выяснить, остается ли живой лягушка зимой, проводил некоторые микробиологические опыты.
Будучи учеником седьмого класса, Сергей обнаружил, что заряженная посредством трения о школьные суконные штаны каучуковая гребенка быстро теряет электрический заряд в струе теплого воздуха, выходящего из стекла керосиновой лампы. Преподаватель Александр Александрович Мазинг, к которому он обратился с просьбой объяснить это явление, дал ему явно неверное толкование. Тогда юноша взялся за изучение фундаментального труда английского физика Джозефа Джона Томсона «Кинетическая теория» и выяснил, что причина обнаруженного явления лежит в ионизации нагретого газа.
«Я к пятнадцати годам уже был готовым естественником с широкими интересами и горизонтами», — вспоминал Сергей Иванович. И в другом месте: «Несмотря на А. А. Мазинга, физиком я делался... Добивался физики «своею собственной рукой».
Идет время. Сергей все больше увлекается физикой, много думает и читает. В последнем, восьмом, классе он выступает в училище со своим первым научным докладом «Радиоактивность и строение атома». Доклад прошел с большим успехом. Его автор продемонстрировал незаурядную эрудицию и глубокое знание предмета.
По сравнению со многими своими однокашниками Сергей ушел далеко вперед. В своих воспоминаниях Сергей Иванович приводит такие строки из своего дневника 1909 года о школе: «Чужая она мне, холодная, неприятная... Бог с ними, со всеми этими неурядицами, беспорядками, учителями-лентяями, все это не так страшно, как они, ученики — безмозглые, глупые или приказчики мелкой руки». Комментируя эту запись, Вавилов замечает: «Думаю, что преувеличено все это, но большая доля правды была».