Уже тогда Столетову было ясно, что настоящим физиком можно стать, только гармонически соединив в себе экспериментатора и теоретика.
Эту идею, прошедшую красной нитью через всю деятельность Столетова, провозглашал задолго до него великий Ломоносов. Ломоносовская традиция, являвшаяся руководящим принципом для всех передовых русских ученых, была глубоко воспринята Столетовым еще в молодости.
В Берлине, в лаборатории Магнуса и на лекциях Пальцова, Дэве и Квинке, Александр Григорьевич часто встречается с молодым русским физиком Михаилом Петровичем Авенариусом — одним из «пироговцев».
Авенариус (1835–1895) был почти что сверстником Столетова. Вскоре знакомство молодых ученых переходит в дружбу, которая становится настолько крепкой, что Столетов и Авенариус поселяются вместе. Долгие дни, долгие вечера проводят они, обмениваясь мнениями, споря о научных проблемах, мечтая о том, над чем они будут работать, вернувшись в Россию. Эта дружба будущего киевского профессора с будущим московским профессором продолжалась всю их жизнь.
Через много лет, вспоминая об уже покойном Авенариусе, Столетов писал: «Весной 1864 г. мы оба переехали в Гейдельберг. Здесь поселились на общей квартире, вблизи от Фридрих-Бау, и так прожили несколько месяцев до отъезда Михаила Петровича. Вместе слушали лекции и работали в институте Кирхгофа. Вместе с ним бродили по лесным окрестностям города, жили душа в душу, ни разу не было размолвки. На другой год, уже по защите магистерской диссертации и по получении места доцента в Киеве, Авенариус еще раз приехал в Гейдельберг на лето и застал меня еще там. Затем наши пути разошлись. Видеться приходилось редко. Только в 1881 году, в эпоху Парижской электрической выставки и Конгресса электриков случилось еще раз несколько месяцев жить вместе в одном небольшом отеле, еще раз совместно работать и ежедневно делиться мыслями и впечатлениями».
«Личное воспоминание, — писал Столетов, — представляет нам образ покойного товарища в самом симпатичном свете, это был человек мягкого и в то же время прямого характера, он никогда не кривил душой, говорил и действовал всегда уверенно, и на его слово можно было положиться. К науке, к профессорским обязанностям относился с благоговением, как к делу святому». Таков был один из первых товарищей Столетова, будущий соратник его по созданию школы русских физиков.
Разделенные расстоянием (Авенариус впоследствии почти безвыездно жил в Киеве), друзья до самых последних дней Авенариуса находились в оживленной переписке. Дружба с Авенариусом и другими «пироговцами» — особенно сблизился Столетов с молодыми врачами М. Лаврентьевым и Ю. Бостеном — помогала ему переносить разлуку с родиной.
Родина напоминает о себе и письмами из дому. Часто приходят к нему конверты со штампом «Владимир». Там о нем всегда помнят, с нетерпением ждут его писем, ждут его возвращения. Проводив брата за границу, Анна записала на следующий день в дневнике: «Мне нынче как-то скучно целый день. Ученья не было, так у меня нынче вот на сердце тяжело, я все думаю о Саше. Вчера как-то я не столько тосковала, а нынче даже не могу ни лежать, ни работать, а слез нет, и этого никто не замечает. Не с кем мне будет гулять без Саши».
В Берлине Александр Григорьевич пробыл недолго. Получив известие, что Кирхгоф уже открыл свою физическую лабораторию, Столетов выехал в Гейдельберг. Вместе с ним покинул Берлин и Михаил Петрович Авенариус.
Вернувшись в Гейдельберг, Столетов почти безвыездно прожил в нем полтора года. Только в 1865 году он отлучился на два месяца в Париж. В этот город его привлекла Сорбонна. Посещая это старейшее учебное заведение Франции, Александр Григорьевич знакомился с тем, как в Сорбонне преподается физика. Вопросы преподавания этой науки необычайно интересовали Столетова. Ученый серьезно готовился к своей будущей профессорской деятельности. Уже за границей он разработал план перестройки преподавания физики в Московском университете, замечая все лучшее, что было в университетах Запада.