«Основания теории Либиха, очевидно, неправильны, и выводы ее противоречат действительности.

Даже в деле определения качества почвы с точки зрения удовлетворения потребности растения в питательных веществах химический анализ оказывался до сих пор почти бессильным.

Причина этого лежит в том, что не все минеральные соединения могут служить пищею растениям, а приемы химического анализа не позволяют отделить соединения, годные для питания растений, от негодных».

Односторонний взгляд на почву привел Либиха к более крупным ошибкам. На основе своей теории «полного возврата» Либих проводил опыты по применению удобрений и выяснил, что прогрессивное увеличение удобрений не ведет к соответствующему росту урожайности, что плодородие почвы не увеличивается, а уменьшается. Это и послужило для обоснования пресловутого «закона» убывающего плодородия почвы — реакционной теории, с которой Вильямс впоследствии вел такую упорную, непримиримую борьбу.

Вильямс отверг взгляды химической школы и настойчиво стал заниматься исследованиями физических свойств почвы. Он надеялся, что именно здесь, именно в изучении механического состава почв, он отыщет путь к пониманию сущности плодородия почвы. Экспериментальным исследованиям физических свойств почв Вильямс и посвятил свое пребывание в лаборатории Вольни. Четырнадцать месяцев провел Вильямс в этой лаборатории. День за днем он вел кропотливую работу по усовершенствованию метода механического анализа. Он конструировал новые приспособления для того, чтобы с предельной точностью отделять частицы почвы разного размера одни от других. Особенно сложно было выделение мельчайших, диаметром в тысячную долю миллиметра, частиц глины. Вильямс установил, что эти мельчайшие частицы обладают связностью.

Неделями длились опыты — образцы почвы взмучивались в воде, и начиналось отделение сначала самых крупных частиц, потом более мелких и, наконец, мельчайших. Долгие часы проводил Вильямс в том уголке Мюнхенской лаборатории, который он оборудовал и перестроил по своему плану. Тщательно готовил он образцы почв для предстоящего анализа: он прокаливал почву на огне в больших фарфоровых тиглях, просеивал через сита разного диаметра, отделяя крупные частицы — камни, хрящ, крупный песок. Потом начиналось отмучивание — разделение оставшейся почвы на пять групп: грубую и мелкую пыль, грубый, средний и мелкий ил. В высоких фарфоровых чашах взмученная почва кипятилась и отстаивалась по двенадцати часов. С помощью сифона своей конструкции Вильямс осторожно сливал мутную воду и подвергал ее новому кипячению и отстаиванию. А полученный осадок мелкого ила выпаривал, высушивал и взвешивал. Взмученную почву надо было кипятить и отстаивать четыре-пять раз, пока не осядут все частицы и из сифона не польется совершенно прозрачная жидкость.

Но прежде чем добиться успеха, Вильямс испытал много неудач: то все оставшиеся частицы превращались в хлопья и оседали все вместе, то непонятное движение мельчайших частиц (которое, как доказал Вильямс, представляло собой широко известное Броуновское движение) нарушало весь ход осаждения. Приходилось снова и снова менять условия проведения опытов — то повышать, то понижать температуру воды, то увеличивать, то уменьшать вес исследуемого образца почвы, тщательно фиксируя все изменения в процессе осаждения. Вильямс менял размеры и форму тиглей и фарфоровых стаканов, переделывал конструкцию сифона и упорно продолжал свои опыты, несмотря ни на какие неудачи.

Он добился своего. Ему удалось достичь высшей степени точности при определении механического состава почв. Новый метод, разработанный Вильямсом, позволял точно определить, какое количество частиц каждого размера содержит данная почва, и получать любую группу или фракцию частиц в любом количестве, какое только могло потребоваться для проведения дальнейших всесторонних физико-химических исследований.

Для того чтобы создать свой метод, Вильямс проверил все существовавшие до этого методы механического анализа. Он убедился на основе тщательной проверки в несовершенстве этих методов, несмотря на то, что они были широко распространены за границей.

Вильямс отказался от следования их приемам и исходил в своей работе из опыта своего непосредственного учителя Фадеева. Подвергнув способ Фадеева коренной переделке и усовершенствованию, Вильямс, с присущей ему скромностью, говорил, что он внес в этот метод только некоторые изменения, и назвал разработанный им способ «способом Фадеева — Вильямса». Этот способ нашел высокую оценку в первом курсе лекций по почвоведению, читавшемся H. M. Сибирцевым в середине девяностых годов студентам Ново-Александрийского института сельского хозяйства и лесоводства, руководимого Докучаевым.

Докучаев в своем кратком докладе, опубликованном в 1895 году («Почвоведение в России, его прошлое и будущее»), не забыл упомянуть об успешной работе молодого ученого. «В лаборатории Петровской земледельческой академии, — писал Докучаев, — совершенствуются методы механического и химического почвенного анализа (профессора Густавсон, Вильямс и другие)».

В 1898 году, на X съезде русских естествоиспытателей и врачей, была создана специальная комиссия по методам почвенного анализа. (Комиссия, сравнив между собой различные способы механического анализа почвы, рекомендовала, в числе немногих других, и метод, разработанный Вильямсом, «по которому получается разделение более полное и определяются илистые частицы».

Работая над этой проблемой в лаборатории Вольни, Вильямс довольно скоро понял ограниченность подхода и этого ученого к изучению почвы. Вильямс не поддался односторонним воззрениям Вольни, считавшего, что только физическими свойствами почвы определяются и ее плодородие и все ее особенности. Резко отрицательно отнесся Вильямс и к тому, что Вольни и его ученики изучали в своей лаборатории не физику живого природного тела — почвы, а физику порошков, приготовленных из этой почвы. Впоследствии Вильямс метко окрестил физику почв Вольни «порошковедением».

Легко преодолеть влияние Вольни и его школы молодому исследователю помогла прежде всего широта подхода к изучению природы и, в частности, почв, которую он воспринял из трудов Докучаева и Костычева.

Вильямс говорил:

«Ни один лагерь ученых не хочет признать себя побежденным. Последователи старой химической школы стараются все явления земледелия свести на химические отношения растений к почве. Последователи более новой, физической школы, игнорируя другие стороны вопроса, силятся все объяснить физическими свойствами почвы и их отношениями к растению».

Вильямса не устраивала ни та, ни другая позиция. Он подчеркивал «несостоятельность как одного химического, так и одного физического направления».

Отдав несколько лет напряженной работы механическому анализу почв и подчеркивая значение этого анализа для решения многих вопросов почвоведения, Вильямс не отводил механическому анализу исключительной, решающей роли в изучении почвы и ее плодородия. Он подчеркивал, что одним механическим анализом всех проблем почвоведения не решишь. Только умелое сочетание механического и химического анализов, только учет сложных биологических процессов, совершающихся в почве, только всестороннее изучение почвы, как особого тела природы, может помочь разобраться в неясных и трудных вопросах почвоведения и земледелия.

31 января 1894 года в Петровской академии состоялась защита Вильямсом магистерской диссертации «Опыт исследования в области механического анализа почв».

На этой защите Вильямс выступил перед Советом Академии с блестящей вступительной речью, которая показала незаурядную глубину и оригинальность мысли молодого ученого, подошедшего к своей задаче с той широтой, которая была присуща лучшим представителям русской науки.

Вильямс настаивал на необходимости изучения всех факторов жизни растения.

Он говорил: «Растение для того, чтобы развиваться и исполнять те функции, ради которых оно возделывается, нуждается в известных условиях, которые определяют своим единовременным присутствием возможность жизни растений.