Развивая свою раннюю теорию о нечувствительных частичках, Ломоносов в 1748–1749 годы пишет два исследования «Опыт теории упругости воздуха» и «Прибавление к размышлениям об упругости воздуха», в которых придает законченный вид одному своему учению, упредившему развитие науки почти на столетие.
Упругость воздуха, по Ломоносову, — это способность сжиматься при увеличении давления и расширяться при уменьшении его, ибо нечувствительные частички воздуха при этом соответственно сближаются либо удаляются друг от друга. Частички воздуха находятся далеко друг от друга (из опытов следует, что воздух можно сжать до одной тридцатой начального объема), но для того, чтобы она могла действовать одна на другую (без чего воздух не обладал бы упругостью), надо, чтобы они взаимно соприкасались. Ломоносов объясняет этот парадокс тем, что в каждую данную единицу времени все частички данного объема не могут находиться в одном и том же состоянии: одни из них сейчас сталкиваются с другими, стремительно сближаются до мгновенного соприкосновения, а некоторые в это же время так же стремительно отталкиваются и, разлетаясь в разные стороны, вновь отталкиваются от них. Равнодействующая этих частых, хаотических взаимных столкновений всегда направлена вовне.
Нечувствительные частички воздуха все же имеют массу, поэтому их столкновения происходят так, что верхние падают на нижние. Поскольку невозможно, чтобы первые всегда попадали точно в верхнюю часть расположенных ниже частичек, то отталкивание верхних от нижних должно происходить вскользь, по наклонным линиям (вот почему упругость воздуха уменьшается с высотою, а точка, в которой сила тяжести верхних частичек выше силы отталкивания нижних, будет означать верхнюю границу земной атмосферы). Упругость воздуха, кроме того, зависит от температуры. Чем он теплее, тем больше «коловратное» движение частичек, тем больше сила их взаимного отталкивания, тем выше упругость воздуха. Так как абсолютный холод на земле невозможен, воздушные частички всегда находятся в движении, следовательно, воздух всегда обладает упругостью.
Когда «Опыт теории упругости воздуха» обсуждался в Академическом собрании (30 сентября 1748 года), Ломоносов «не дал объяснения того, почему упругость воздуха пропорциональна его плотности». В мае 1749 года Ломоносов представил упоминавшиеся уже «Прибавления к размышлениям об упругости воздуха», где он проанализировал опыты Д. Бернулли с определением высоты поднятия ядра из вертикально стоящих пушек. На основании своих опытов Д. Бернулли пришел к выводу, что при очень большом давлении воздух сжимается не пропорционально давлению. Ломоносов, исходя из своей теории упругости воздуха, объяснил, почему это происходит. Поскольку частицы воздуха материальны, они имеют не только массу, по также протяженность и объем. При больших давлениях их столкновения настолько чаще и хаотичнее, что простой пропорциональностью между давлением и объемом здесь ничего объяснить нельзя и что для этого надо вычесть объем, занимаемый частицами, из объема свободного пространства, в котором они движутся.
Учение о природе упругости воздуха стало совершенно новым словом в естествознании. Один из известнейших биографов Ломоносова, Б. Н. Меншуткин, сам к тому же крупный ученый-химик, пишет: «Так подробно, до мельчайших деталей разработанная Ломоносовым картина состояния частичек в воздухе — не что иное, как современная «кинетическая теория» газового состояния, излагаемая в каждом руководстве физики. В этой теории у Ломоносова были предшественники, высказавшие (но не развившие) основные мысли, положенные в основание разработки Ломоносова, который, наоборот, дал вполне законченную и совершенно аналогичную нынешней теорию».
Из предшественников Ломоносова в этой области впоследствии «вспомнили» о Д. Бернулли, перепечатав в 1857 году сначала в научном журнале, потом отдельном изданием соответствующее место из его «Гидродинамики». Это произошло в связи с общим оживлением интереса к названной проблеме, когда немцы Крениг, Р. Клаузиус самостоятельно высказали мысль о кинетической природе газового состояния, а затем Дж. К. Максвелл и Л. Больцманн детально разработали ее и придали ей завершенный вид теории. Что касается ломоносовских работ, то они были извлечены из-под спуда профессором Б. Н. Меншуткиным лишь в 1904 году.
Почти одновременно с «Опытом теории упругости воздуха» Ломоносов работал над произведением, один из выводов которого (правда, вновь с более чем столетним опозданием) золотыми буквами вписан в историю естествознания. Причем оно было написано как бы в подтверждение той высокой оценки, которую незадолго до этого дал диссертациям Ломоносова Эйлер и в официальном отзыве, и в письме к Шумахеру, и в письме к самому их автору от 23 марта 1748 года (перевод Ломоносова): «Сколь много проницательству и глубине Вашего остроумия в изъяснении претрудных химических вопросов я удивлялся, так равномерно Ваше ко мне письмо (от 16 февраля 1748 года — Е. Л.) было приятно. Из Ваших сочинений с превеликим удовольствием я усмотрел, что Вы в истолковании химических действий далече от принятого у химиков обыкновения отступили и с препространным искусством в практике высочайшее основательной физики знание везде совокупляете. Почему не сомневаюсь, что нетвердые и сомнительные основания сея науки приведете к полной достоверности...»
Переписка между учеными в ту пору считалась не менее значимым способом обмена информацией, оценок, заявлений об изобретениях и открытиях, чем публикация в научном журнале. Вот почему ответное письмо Ломоносова Эйлеру от 5 июля 1748 года может быть названо и, по существу, было самостоятельным научным произведением. Здесь Ломоносов, подводя итоги более чем полуторатысячелетнему развитию физических представлений о неуничтожимости материи и движения от Лукреция до Декарта, формулирует свой «всеобщий закон природы» в замечательно простых терминах: «...все случающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается от чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю от бодрствования и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правило движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».
Характерно, что, излагая именно всеобщий закон природы, Ломоносов здесь не разделяет мир на физический и человеческий: человек — часть природы, а ведь природа, как писал он в свое время, «крепко держится своих законов и всюду одинакова». Мысль об изначальном единстве мира неразлучна с Ломоносовым. Он и здесь предельно последователен в проведении этой мысли.
Впрочем, справедливость требует указать и на одно ошибочное утверждение Ломоносова, которое содержится в письме к Эйлеру и которое он еще в течение девяти лет безуспешно пытался отстаивать. Ломоносовское заблуждение, о котором идет речь, непосредственно не вытекало из открытого им «всеобщего закона природы», хотя он и опирался здесь на него. Дело в том, что, совершенно справедливо придав универсальный характер своему закону сохранения материи и движения, Ломоносов полагал, что движение от одного тела к другому передается только через непосредственное прикосновение. Все другие виды передачи движения и взаимодействия между телами на расстоянии он не принимал в расчет. Вот почему, отвечая на вопрос о причине тяготения (один из важнейших в классической механике), он вынужден был постулировать существование некой «тяготительной материи», что позволяло ему, опираясь на свой закон, объяснять тяготение тем, что тело, получившее вследствие тяжести скорость, «отбирает» ее у окружающей его «тяготительной материи», порождающей скорость. Но в таком случае ставился под сомнение или, вернее, отвергался открытый Галилеем и экспериментально подтвержденный Ньютоном закон пропорциональности массы и тяжести. И Ломоносов пошел на это. Однако видеть здесь лишь субъективную погрешность физического мышления Ломоносова было бы неверно и некорректно. В рамках физики XVIII века удовлетворительно ответить на вопрос о причине пропорциональности массы и тяжести не удалось никому. А ведь Ломоносов был озабочен именно причиной тяготения (вопрос, как уже говорилось ранее, оставленный Ньютоном открытым) и в письме к Эйлеру обосновывал необходимость причинного подхода к проблеме:
