Петр Николаевич возвратился в Москву в сентябре. Однако здоровье его было подорвано. В феврале 1912 года Петр Николаевич слег, а 1 марта его не стало. Кончина Петра Николаевича Лебедева потрясла ученых всего мира, Николай Иванович Вавилов в те дни писал: «Для русской науки это ужасное событие».
Лучшим памятником П. Н. Лебедеву стала созданная его трудами первая школа русских физиков.
Через много лет Сергей Иванович Вавилов написал: «П. Н. Лебедев наряду с М. В. Ломоносовым — одна из замечательных фигур истории русской физики. Он был первым организатором коллективной научной работы в области физики и больших исследовательских лабораторий, ставших образцом для научных институтов в наши дни».
Несомненно, что высочайшей научной культурой, стилем работы и общения с людьми С. И. Вавилов во многом обязан П. Н. Лебедеву. Центральное физическое учреждение страны — Физический институт Академии наук СССР — по предложению С. И. Вавилова получило имя П. Н. Лебедева. Перед зданием института установлен скульптурный бюст ученого. Большой бронзовый памятник П. Н. Лебедеву воздвигнут и возле физического факультета Московского университета имени М. В. Ломоносова на Ленинских горах. Проходящая близ университета улица носит имя Лебедева. На старом здании Московского университета на проспекте Маркса установлена мемориальная доска П. Н. Лебедеву.
В «лебедевском подвале» на Моховой Сергей Вавилов работал не более месяца. За это время он прошел практику в мастерской, посещал коллоквиумы, получил тему у П. П. Лазарева, ознакомился с литературой, самостоятельно спроектировал экспериментальную установку.
Свое первое научное исследование Сергей выполнил уже в Мертвом переулке. Организовав студенческий кружок по изучению периодической научной литературы и желая помочь своему товарищу Э. В. Шпольскому, он изучил специальную литературу и написал обзорную статью «Фотометрия разноцветных источников». В ней Сергей детально разобрал вопрос возможной точности фотометрического сравнения разноцветных источников света, подвергнув критике ряд выполненных ранее исследований. Студент Вавилов высказал предположение о различии элементов сетчатки человеческого глаза, вызывающих яркостное и световое восприятие. Впоследствии это предположение было экспериментально подтверждено. По-видимому, в процессе написания этой работы у Сергея Ивановича родился глубокий интерес к проблемам физиологической оптики, занимавшим его всю жизнь.
Очень интересны, но несколько неожиданны воспоминания С. Н. Ржевкина, относящиеся к этому периоду жизни С. И. Вавилова. По словам С. Н. Ржевкина, в стенах лаборатории в Мертвом переулке Вавилов получил первый опыт организации физического коллоквиума, в котором приняли участие все молодые физики. Известны прекрасные по содержанию и форме выступления Сергея Ивановича в последние двадцать лет его жизни.
Оказывается, ораторское мастерство пришло не сразу. Вспоминая о первых научных докладах Вавилова в студенческие годы, Ржевкин отмечал, что Сергей в те годы совершенно не умел владеть речью, произносимые слова были неразборчивы, и нередко смысл выступления с трудом улавливался слушателями. Но товарищей пленяли эрудиция Сергея, умение подсказать пути исследования, его желание создать атмосферу коллективной научной работы. В дальнейшем путем практики и сознательных усилий Сергей Иванович достиг совершенных форм лекторского мастерства.
Научный руководитель Сергея Вавилова Петр Петрович Лазарев в то время работал над докторской диссертацией, которая была посвящена исследованию сложных процессов фотохимического выцветания (обесцвечивания) красителей. Желая проанализировать природу этих процессов, Петр Петрович предложил ученику изучить выцветание красителей под действием не света, а тепла, и сравнить его с процессом фотохимического выцветания. Сергей увлекся темой и создал оригинальную установку для проведения работы.
В качестве объектов исследования Вавилов избрал пять красителей цианинового ряда. Красители растворялись в смеси спирта с коллодием. Тонкий слой раствора помещался на стекла фотопластинок, которые высушивались в темном помещении. На пластинках образовывалась тонкая пленка красителя. Для изучения происходящих в ней изменений при нагревании использовался распространенный в те годы визуальный спектральный прибор — спектрофотометр Кёнига-Мартенса.
Проведя тщательные измерения, Вавилов обнаружил существенные различия в выцветании красителей под действием света и тепла. Им было установлено, что ход фотохимического процесса мало зависит от температуры. Оказалось, что термическое выцветание красителей в темноте происходит в 3 раза интенсивнее фотохимического выцветания при увеличении температуры. Экспериментатору удалось сравнить кинетику теплового выцветания разных красителей. Она оказалась существенно неодинаковой.