磁性從何而來
我們往往把磁鐵看作某種特殊的物件——冰箱上那塊，或者信用卡上那道磁條。但磁性其實源自更深處，藏在每一個原子內部。關鍵的想法很簡單：運動的電荷會產生磁場。電子是一小團電荷，而它在原子裡從不靜止。於是每個原子最終都像一塊小得無法想像的條形磁鐵，有一個北極、一個南極。
我們把這塊原子級的小條形磁鐵稱作磁矩。這裡的「矩」與時間毫無關係——它是一個古老的物理詞，意思是「轉動的力量」，就像一把長扳手能讓你擰螺栓時更省力一樣。磁矩衡量的是某物在磁場中轉動對齊的勁頭有多大、以及它指向哪個方向。你可以把它想像成貼在原子上的一支小箭頭，就像指南針的指針。
原子內部有兩樣東西造就了這磁矩。其一，電子繞原子核運動，而電荷沿著環路繞行恰好就是一股小電流——而電流環就是一塊磁鐵。其二，也更為重要的是，每個電子都有一種與生俱來的性質，叫做自旋，它的表現就好像電子是一個旋轉的帶電小球、自己產生磁場一樣。你不必真的把自旋想像成在轉；只需把它當作每個電子隨身攜帶的一塊永久的小磁鐵。
抗磁性：溫柔的推開
現在把一塊外部磁鐵靠近某種材料。即便是本身沒有淨磁矩的原子，也會有些微的反應。當你打開磁場時，繞行的電子會微妙地調整運動，去抵抗這種變化——它們會喚起一股自己的微弱磁場，指向相反的方向。結果就是抗磁性：材料被磁鐵微微地排斥。這是宇宙的預設反應；每種材料都會如此，只不過通常這效應被更強的效應所掩蓋。
這是個極其微小、卻真實存在的效應。水、木頭、塑膠、銅，乃至你自己的身體，全都是抗磁的。只要磁鐵足夠強，你真的可以讓一滴水、甚至一隻小青蛙懸浮起來——那溫柔的推開之力，被強大的磁場放大後，足以與重力抗衡。可以把抗磁性想像成大自然的條件反射：用磁場戳一戳物質，它就往後一縮。
順磁性：一群沒有領頭的指南針
如果一種材料的原子確實保留了一些未成對的電子，那麼每個原子上都帶有真實的磁矩。在沒有外加磁場時，這些微小的指南針指向四面八方，被熱攪得雜亂無章——那永不停歇的顫動，我們稱之為熱運動。它們的箭頭平均下來彼此抵消，所以整塊材料對外不顯磁性。但一旦打開外加磁場，每根小指南針都會試圖轉動、與磁場對齊。
這就是順磁性：材料被磁鐵微弱地吸引，與抗磁性的符號正好相反。但這是一場拔河。磁場把指南針拉到一條線上；熱又把它們撞得偏離隊列。所以這種對齊永遠是部分的、脆弱的，而你一撤掉磁場，指南針又重新四散。這裡沒有記憶——順磁體不會保持被磁化的狀態。
甚至還有一個更安靜的「表親」值得一提。在金屬中，自由遊蕩的電子之海會帶來一種微弱、且隨溫度變化不大的吸引，稱為包立順磁性。現在你不必深究它的細節——只需知道：金屬會從它們可移動的電子那裡，在原子本身的貢獻之上，再添上一份自己獨有的、小小的磁性風味。
磁化率：一個回答「有多磁？」的數字
物理學家喜歡用一個數字來回答「如果我施加一個磁場，這東西的反應有多強？」這個數字就是磁化率。它比較的是你得到了多少磁性、相對於你施加了多少磁場。這個數字的正負號，一眼就能道盡整個故事。
- 負的磁化率意味著材料抵抗磁場、往回推——這就是抗磁性。這個數值極小。
- 一個小小的正磁化率意味著材料被溫柔地拉入磁場——這就是順磁性。
- 一個巨大的正磁化率則暗示著有某種強得多的東西在起作用——那就是下一篇我們要遇見的協同磁性。
測量磁化率如何隨溫度變化，是科學家拿到一種新材料時最先要做的事情之一。正如我們所見，熱會與對齊對抗，所以對一個簡單的順磁體而言，你把它加熱時，磁化率會穩步下降。這條乾淨俐落的趨勢如此可靠，以至於它有了自己的名字和一條簡潔的規則——這恰好為我們的下一個故事埋下了漂亮的伏筆。
為什麼這很重要
世界上大多數東西都只有微弱的磁性。我們真正使用的強磁鐵稀少而特殊，而要理解它們，我們首先得理解其他一切所棲身的那個溫柔的背景。抗磁性與順磁性就是這個背景：一場磁場、自旋著的電子與熱之間的安靜對話。接下來幾篇裡所有那些戲劇性的現象，都建立在這同樣的三位角色之上。
這裡有一根要往後接的線索。在順磁體裡，原子指南針彼此不理不睬——每一個只聽從外界磁場的號令。接下來幾篇裡那些戲劇性的磁體，則誕生於指南針不再彼此無視、而開始交談之時：當一個原子的磁矩能夠感受並影響它鄰居的磁矩。這場對話一旦開始，溫柔的磁性就會變成某種能吸在冰箱上的東西。