Эпинус, получив в свое распоряжение обсерваторию, наглухо закрыл в нее доступ немногочисленным русским астрономам, которые могли бы там совершенствоваться, в том числе Попову и Красильникову, «коим всегда был туда вход невозбранен при Делиле и Гришове». Ломоносов открыто говорит о незаслуженном возвышении Эпинуса, которого незадолго перед тем пригласили преподавать математику и физику наследнику престола: «Господин Епинус, когда еще был только физики профессор, крайне не радел о своей должности. А ныне уже и астроном и главный директор шляхетского кадетского корпуса, при том человек случайной». В докладной записке Разумовскому Ломоносов, признавая, что Эпинус — «изрядный физик», высказывает недоверие к его астрономической подготовке и утверждает, что Эпинус «по астрономии весьма мал в рассуждении практики». «Господин Епинус, — писал Ломоносов, — был года с два в Берлине, где ни единого нет доброго инструмента, и почти один заржавелый квадрант, и Епинус не видал нигде хороших Астрономических Инструментов, как только здесь у Гришова».

Не полагаясь на Эпинуса, Ломоносов до отправления экспедиции решил сам определить моменты начала и окончания явления для различных долгот — Петербурга, Парижа, Лондона, Иркутска, Нерчинска и семи других пунктов, составив для этого «Показание пути венерина по солнечной плоскости, каким образом покажется наблюдателям и смотрителям в разных частях света. Майя 26 дня 1761 года».

Изучая распространенные и принятые в его время телескопы системы Грегори и Ньютона, составленные из металлических зеркал и выпуклых стекол, Ломоносов установил, что наличие в этих телескопах небольшого дополнительного зеркала только ухудшает видимость и что они «должны быть исправляемы более от излишества, нежели недостатка». Руководствуясь мыслью о необходимости убрать все лишнее, что составляет преграду свету, падающему на большое зеркало, Ломоносов устраняет дополнительное зеркальце и решительным образом изменяет всю конструкцию телескопа.

В 1762 году Ломоносову удалось построить телескоп, состоявший только из одного вогнутого зеркала и окуляра.

Только в 1774 году зеркальный телескоп точно такой же конструкции был предложен и еще позже, в 1789 году, построен английским астрономом Гершелем, имя которого и было потом присвоено телескопам этого типа. Ломоносов продолжает упорно работать над дальнейшим усовершенствованием астрономических труб. Только за время с 1761 по 1765 год им было разработано и построено несколько новых конструкций телескопов, выгодно отличавшихся от всех подобных инструментов, известных в его время. Ломоносов производит многочисленные опытные плавки разных составов «для получения большого зеркала в рефлекторе». Он сам присутствует при этих плавках, превозмогая боли в ногах, вызванные мучительной болезнью, пока не добивается «доброго зеркального металла без ноздрей».

Его смелая новаторская мысль постоянно направлена на улучшение техники изготовления приборов. Так, например, им был предложен оригинальный способ изготовления сверхтонких зеркал, новый способ полирования стеклянных поверхностей, способ, «как испытывать точную плоскость плоских зеркал трубкою в расстоянии», и многое другое. Станки и инструменты для этих работ Ломоносов придумал сам. В его «Химических и оптических записках», относящихся к 1762–1763 годам, сохранился чертеж изобретенного им станка для обтачивания поверхностей сферических зеркал из металлического сплава, а также наброски различных других изобретений в области оптики. Одновременно Ломоносов изыскивал пути для создания новых, точных и наиболее совершенных измерителей времени, намечая различные приспособления и улучшения в конструкции часов, предлагал ввести «стеклы и хрусталь для избежания фрикции» (трения) и пр.

Раздраженный вечными проволочками и столкновениями с Академической канцелярией, Ломоносов с 1762 года переносит изготовление оптических приборов к себе на дом, где он на свои средства обзаводится станками и инструментами, закупает материалы и набирает мастеров. Вскоре у него возникает образцовая оптическая мастерская, где работают опытные мастера-инструментальщики, которым помогают толковые молодые ребята, на ходу обучающиеся тонкому и сложному делу приборостроения.

Ломоносов строго распределял работу между всеми участниками и точно указывал, кто из них что должен делать. Одна из таких записок сохранилась:

«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 машин.

Столяр:

1. Передние апертуры и раздвижной ход.

2. Подъемный стул».

Все они дружно и напряженно работали над созданием новых отечественных телескопов — точили, полировали, шлифовали и ладили зеркала, пригоняли части телескопа одну к другой, вкладывая в дело свою сметку и сноровку.

Ломоносов не только создает новые конструкции телескопов, но и разрабатывает рецепты для приготовления оптического стекла. «В окулярные употреблять желтое стекло из сурика и горного хрусталя откаленное», — помечает он в своих записках. «Стекло с суриком много больше делает рефракцию, нежели другое. С ним соединить стекло из фужера».

Последняя запись, по-видимому, указывает, что Ломоносов пришел к мысли о возможности получения различных сортов стекла (с различной светопреломляемостью) для ахроматических объективов. Хроматическая аберрация (радужное отсвечивание в оптических приборах) была серьезной помехой для наблюдения и считалась неустранимой в силу самих законов преломления света. Однако в 1747 году Леонард Эйлер указал, что устранение цветной аберрации теоретически возможно. Для этого он предложил пользоваться двумя стеклами, промежуток между которыми наполнен водой. Работая с 1752 года со своим рефрактометром, Ломоносов вплотную подошел к практическому решению этого вопроса и занялся поисками рецептов для стекол, которые обладали бы различными показателями светопреломления.

Путь к открытию ахроматических объектов был найден. И не случайно в Петербургской Академии еще при жизни Ломоносова Иоганн Цейгер, а затем Эпинус занялись изготовлением ахроматических объектов. «По щастию, — говорил в академическом собрании 2 июля 1763 года Цейгер, — нашел я не токмо два вида стекол в самой России сделанных, которые имеют различную светопреломляемость и состоят в той же пропорции, как английские стекла кронглас и флинтглас», но и занялся изготовлением других видов стекол, «которые в рассуждении разности углов рассеяния, другие весьма превосходят»[93]. Нет никакого сомнения, что этим «щастием» Цейгер был обязан теоретическим работам Ломоносова.

Устранение цветной аберрации было неотложной задачей для Ломоносова, так как он работал над созданием приборов, пользование которыми предполагало скудное или недостаточное освещение, когда каждая помеха была особенно чувствительна.

Занимаясь ночными астрономическими наблюдениями, Ломоносов заметил, что через одни инструменты предметы различаются в ночное время лучше и явственнее, чем через другие. Это навело его на мысль попытаться сконструировать особую трубу для наблюдений в сумерки. 13 мая 1756 года в Академической конференции Ломоносов демонстрировал «ночезрительную трубу», которая построена для той цели, чтобы различать в ночное время скалы и корабли. Академики засвидетельствовали: «Из всех опытов явствует, что предмет, поставленный в темную комнату, различается в эту трубу яснее, чем без нее».

Ломоносов предлагал объявить от Академии наук конкурс на изобретение телескопа для наблюдений предметов, находящихся в темном месте, при условии, чтобы оно не было вовсе лишено освещения. Однако академик Эпинус, лично неприязненный к Ломоносову, категорически отверг самую возможность подобного изобретения. Разгорелась ожесточенная полемика. Ломоносов спорил, основываясь лишь на своем опыте и не имея возможности по тогдашнему состоянию науки теоретически обосновать действие своей «ночезрительной трубы». Эпинус полемизировал исключительно с формально-теоретических позиций, совершенно игнорируя практику. В частности, Эпинус доказывал невозможность повысить яркость изображения в трубе в обычных дневных условиях и на этом основании переносил эти правила на ночное время.