Размышляя о процессах горения и окисления, Ломоносов обратил внимание на то, что при прокаливании металла вес его увеличивается, и предположил, что это зависит от присоединения к металлу частиц текущего над ним воздуха. Это предположение Ломоносова противоречило некоторым опытам и взглядам его любимого Бойля. Для проверки этого вопроса Ломоносов в 1756 году сделал несколько специальных опытов. На этот раз он с Бойлем не согласился. Описал он их так: «Делая опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес отожженного металла остается в одной мере». «Этим было доказано: 1) что привес металла при обжигании обусловлен соединением его с воздухом; 2) что объяснение процесса обжигания металла при помощи флогистона невозможно: если бы флогистон уходил из металла, то заплавленная реторта с металлом должна была бы иметь иной вес после нагревания» (Меншуткин). Результаты своих опытов Ломоносов сообщил конференции Академии наук, но не опубликовал.
Через двадцать семь лет французский химик Лавуазье (не зная об опытах Ломоносова) сделал точно такой же эксперимент. При этом он сделал одно важное наблюдение: только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом. Отсюда Лавуазье сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один соединяется с металлом, а другой – нет (кислород и азот). До этого открытия Лавуазье воздух рассматривался как цельный элемент. Сторонники теории флогистона повели отчаянную борьбу против выводов Лавуазье, но в конце концов должны были сдаться.
В основе научных взглядов Ломоносова на природу лежала мысль о постоянстве материи и движения. В своем «Рассуждении о твердости и жидкости тел» (1760) он писал: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что, сколько у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому…
Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения; ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».
Отправной точкой в занятиях физикой и химией послужили Ломоносову поразившие его в годы учения у Вольфа идеи Бойля.
Ломоносов говорил: «После того, что я прочел у Бойля, мною овладело страстное желание исследовать мельчайшие частички тел. О них я размышлял восемнадцать лет». На основании этих своих размышлений Ломоносов думал написать большое сочинение о значении «частиц», или «корпускул», для понимания законов физики и химии – «корпускулярную философию», как он говорит в одном из своих писем Эйлеру. Это «великое начинание» (по выражению Меншуткина) Ломоносов не успел осуществить. Но отдельные части этого плана он изложил в некоторых своих диссертациях, а также в его публичных речах, главным образом на заседаниях Академии наук.
Уже в одной из своих ранних работ, «Элементы математической химии» (1741), Ломоносов предложил свою теорию строения вещества – из «корпускул» и «элементов». «Корпускула есть собрание элементов, образующее одну массу… Корпускулы однородны, если состоят из одинакового числа одних и тех же элементов, соединенных одинаковым образом… Корпускулы разнородны, когда элементы их различны и соединены различным образом или в различном числе; от этого зависит бесконечное разнообразие тел». На языке химии первой трети XX века то, что Ломоносов называл «элементом», – это атом, а «корпускула» – молекула. «Это различие лежит ныне в основании всего стройного здания современной химии», – пишет Меншуткин (1937).
Большое значение имеют работы Ломоносова по геологии и минералогии. Геологическая жизнь Земли рассматривалась им в динамическом аспекте, как длительный и сложный физико-химический процесс. Ломоносов едва ли не первый оценил огромную роль организмов в образовании торфа, каменного угля и чернозема. Он собирался также написать «Российскую минералогию» и в 1763 году через Академию наук обратился к рудникам и заводам с требованием прислать в академию образцы различных руд и минералов. Большинство образцов поступило в академию уже после его смерти. Так было положено начало минералогической коллекции Академии наук.
В числе физических проблем, которые изучал Ломоносов, был вопрос об атмосферном электричестве и воздушных явлениях, связанных, по его мнению, с электричеством, в том числе северных сияний. «С 1743 года, – писал он позже, – редко пропущено северное сияние, мною виденное, без записки». Эти его записи до сих пор не потеряли своего значения (см.: Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М., 1965. С. 124).
Продолжая заниматься этими вопросами, Ломоносов наблюдал также грозовые явления, зарницы и хвосты комет. Ломоносов пришел к заключению, что все эти явления связаны с нисходящими и восходящими токами воздуха. С 1745 года начал изучать грозовое электричество также и коллега Ломоносова по академии физик Георг Вильгельм Рихман.
Приблизительно в это же время в Америке занялся свойствами электричества Бенджамин Франклин. Он поставил вопрос, наэлектризованы ли грозовые облака. Французский физик Далибар установил около Парижа высокий железный шест, изолированный деревянной подставкой. Во время грозы 10 мая 1752 года над шестом прошла гроза, шест наэлектризовался, из него пошли искры. В июне того же года, не зная об опытах Далибара, Франклин запустил под облака шелковый воздушный змей с прикрепленным к нему металлическим острием и пеньковой бечевой, за которую держали змей. На нижнем конце бечевы был привязан ключ, а к ключу шелковая веревочка, изолировавшая всю систему. Когда бечева намокла от дождя, то из ключа можно было извлекать искры (излагаю это по Меншуткину). В июле 1752 года Рихман построил у себя дома прибор, получивший название «громовая машина». Он продел железный прут длиной в 6 футов через бутылку с отбитым дном, к концу прута прикрепил железную проволоку и провел ее изолированно в комнату. К концу ее он подвесил железную линейку, а к линейке – шелковую нить. Когда электричество было в проволоке, нить отходила и «гонялась за пальцем». По примеру Рихмана сделал подобную машину у себя в квартире и Ломоносов.
26 июля 1753 года в первом часу дня в доме Ломоносова собирались сесть обедать. В это время поднялись громовые тучи. «Гром был нарочито силен, дождя ни капли». Ломоносов пошел к громовой машине посмотреть, что происходит. «Пока кушанье на стол ставили, – писал потом Ломоносов И. И. Шувалову, – дождался я нарочитых электрических из проволоки искор, и к тому пришла жена моя и другие… Внезапно гром чрезвычайно грянул в самое то время, как я руку держал у железа и искры трещали. Все от меня прочь побежали… Любопытство удержало меня еще две или три минуты, пока мне сказали, что щи простынут, а при том и электрическая сила почти перестала». Щи Ломоносову не пришлось попробовать – прибежал человек Рихмана с докладом, что «профессора громом убило». (Рихман в то же время, что Ломоносов, сидел у своей громовой машины.) Ломоносов сейчас же побежал на квартиру Рихмана, но тот уже был бездыханным. «Итак, он [Рихман] плачевным опытом уверил, что электрическую громовую силу отвратить можно; однако на шест с железом, который должен стоять на пустом месте, в которое бы гром бил сколько хочет. Между тем умер господин Рихман прекрасною смертью, исполняя по своей профессии должность. Память его никогда не умолкнет». Ломоносов исходатайствовал перед Шуваловым, чтобы вдове Рихмана была назначена пенсия в размере его жалованья.
Ломоносов интересовался и астрономическими явлениями. 26 мая 1761 года он наблюдал прохождение планеты Венеры по солнечному диску. Он заметил «тонкое, как волос» сияние, окружавшее часть диска Венеры, еще не вступившей на солнечный диск. Ломоносов объяснил это явление «преломлением лучей солнечных в Венериной атмосфере». Существование атмосферы на Венере было тогда неизвестно астрономам. Свое открытие Ломоносов опубликовал в мемуарах Академии наук. Тридцать лет спустя английский астроном Гершель вновь открыл «Венерину атмосферу».
