В июне 1741 года, после почти пятилетнего пребывания за границей, Ломоносов вернулся в Россию, в Петербург.
Поначалу он выполнял разные поручения: составлял каталог минералов Кунсткамеры, занимался переводами для газет, но уже 8 января 1742 года, после рассмотрения Конференцией Академии двух поданных им диссертаций (одна из них сохранилась – «Рассуждение о зажигательном катоптрикодиоптрическом инструменте»), был назначен адъюнктом Академии по физическому классу, а в августе 1745 года – профессором химии (академиком) Петербургской академии наук.
«В бытность мою при Академии наук, – писал он в одной из челобитных, поданных на имя императрицы Елизаветы, – трудился я нижайший довольно в переводах физических и механических и пиитических с латинского, немецкого и французского языков на российский и сочинил на российском же языке горную книгу и риторику и сверх того в чтении славных авторов, в обучении назначенных ко мне студентов, в изобретении новых химических опытов, сколько за неимением лаборатории быть может, и в сочинений новых диссертаций с возможным прилежанием упражняюсь».
Химию и физику Ломоносов считал главными науками, именно в них он сделал свои самые крупные открытия.
К этому времени в Петербург из Марбурга приехала жена Ломоносова.
В то время в Петербурге не было специальных лабораторий, в которых можно было бы проводить химические опыты. С присущим ему упорством Ломоносов добился того, что в 1748 году первая такая лаборатория была построена на Васильевском острове. Это было одноэтажное кирпичное здание, состоявшее из сводчатого зала и прилегающих к нему двух кабинетов, и оно вполне отвечало своему назначению.
Благодаря окрашенным стеклам для мозаик, полученным в лаборатории и очень понравившимся императрице Елизавете, Ломоносов в 1753 году получил в свое владение поместье в Усть-Рудицах – в 64 верстах от Петербурга. Там он устроил настоящую стекольную фабрику, которая производила прекрасное мозаичное стекло самых необыкновенных расцветок.
Свои мозаичные работы Ломоносов продолжил, построив в 1756 году при собственном доме на Мойке домашнюю оптическую мастерскую. В этой мастерской он создал знаменитую картину «Полтавская баталия», предназначенную для Петропавловского собора. Уникальная по размерам – 30 кв. м. – картина была действительно художественным созданием и ни в чем не уступала самым выдающимся образцам итальянских мозаик.
О разнообразии и интенсивности работ домашней мастерской Ломоносова хорошо говорит лабораторный дневник «Химические и оптические записи», к счастью сохранившийся до наших дней. Из дневника мы знаем, что в мастерской Ломоносова изготовлялись весьма необходимые тогда приборы – микроскопы, телескопы, мореходные инструменты. По дневнику можно судить и об интенсивности ведшихся в лаборатории работ.
Вот одна из многих записей дневника.
«Колотошин (с ним Андрюшка и Игнат).
1. Разделение градусов. 2. Зубы на дугах и шпилях. 3. Все, что к обращению машин надобно.
Гришка (у него работников 2).
1. Шлифовать зеркала. 2. Прилаживать токарную и шлифовальную машину, в чем помогать ему Кирюшке.
Кирюшка.
1. Машину доделать рефракций. 2. Дуга к большому зеркалу и повороты. 3. Трубки паять к оглазкам.
Кузнец.
1. Бауты и винты. 2. Вилы к шпилю большому. 3. Полосы для прочей отделки. 4. Винты ватерпасные для установки машины.
Столяр.
1. Передние апертуры и раздвижной ход. 2. Подъемный стул».
По подходу к изучению природных явлений Ломоносов отличался большой широтой. Например, химию из ремесла, каким она в то время считалась, он поднял до уровня науки. Он первый ввел в исследования количественный метод, сыгравший для развитии химии совершенно исключительную роль. Отказавшись от господствовавшей тогда теории флогистона, Ломоносов последовательно развивал предложенную им корпускулярную теорию и атомистические представления о строении вещества.
Ломоносов первый сформулировал закон сохранения вещества и движения.
В 1748 году в письме к Леонарду Эйлеру и в 1760 году в «Рассуждении о твердости и жидкости тел» Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте…
Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Огромное значение Ломоносов придавал точному опыту.
В «Элементах математической химии» он прямо указывал, что «…кто хочет глубже проникнуть в исследование химических истин, тот должен необходимо изучать механику. Правда, многие отрицают, – писал он, – возможность положить в основание химии начала механики и сделать ее точной наукой, но это люди, заблудившиеся в потемках скрытых свойств и не всегда умеющие находить законы механики в изменениях смешанных тел, также и некоторые теоретики, без всяких предварительных опытов злоупотребляющие своим досугом для измышления пустых и ложных теорий и загромождающие ими литературу. Если бы те, которые все свои дни затемняют дымом и сажей, и в мозгу которых царствует хаос от массы непродуманных опытов, не гнушались поучиться священным законам Геометров, некогда строго соблюдавшихся Евклидом и в наше время усовершенствованным знаменитым Вольфом, то, несомненно, могли бы глубже проникнуть в тайники природы, мистагогами которой они себя признают».
В работе «Размышления о причине теплоты и холода» Ломоносова писал:
«Очень хорошо известно, что теплота (под каковым именем мы понимаем и более напряженную ее силу, обычно называемую огнем) возбуждается движением: от взаимного трения руки согреваются, дерево загорается пламенем; при ударе кремня об огниво появляются искры; железо накаливается от проковывания частыми и сильными ударами, а если их прекратить, теплота уменьшается. Наконец, зарождение тел, жизнь, произрастание, брожение, гниение ускоряются теплотою, замедляются холодом.
Из всего этого совершенно очевидно, что достаточное основание теплоты заключается в движении.
А так как движение не может происходить без материи, то необходимо, чтобы достаточное основание теплоты заключалось в движении какой-то материи. И хотя в горячих телах большей частью на вид незаметно какого-либо движения, таковое все-таки очень часто обнаруживается по производимым действиям. Так железо, нагретое почти до накаливания, кажется на глаз находящимся в покое; однако одни тела, придвинутые к нему, оно плавит, другие превращает в пар; то есть приводя частицы их в движение, оно тем самым показывает, что в нем имеется движение какой-то материи. Ведь нельзя отрицать существование движения там, где оно не видно: кто, в самом деле, будет отрицать, что, когда через лес проносится сильный ветер, то листья и сучки деревьев колышутся, хотя при рассматривании издали и не видно никакого движения. Точно так же, как здесь вследствие расстояния, так и в теплых телах вследствие малости частиц движущейся материи движение ускользает от взора…»
Следить за развитием науки, за новыми ее результатами во времена Ломоносова можно было только по литературе, часто весьма редкой и скудной. Личных контактов с иностранными учеными Ломоносов не имел; не имея нужных средств, он ни разу не выезжал за границу, а для иностранцев тогдашняя русская Академия особого интереса не представляла. Все это послужило одной из причин того, что химические и физические открытия Ломоносова большей частью остались в бумагах, не стали широко известными при его жизни. По настоящему они вошли в науку только в конце XIX века, благодаря самоотверженной работе профессора физической химии Б. Н. Меншуткина, обратившегося к изучению оригинальных научных трудов Ломоносова. А своим современникам Ломоносов был больше известен как поэт и как историк.