磁性从何而来
我们往往把磁铁看作某种特殊的物件——冰箱上那块，或者信用卡上那道磁条。但磁性其实源自更深处，藏在每一个原子内部。关键的想法很简单：运动的电荷会产生磁场。电子是一小团电荷，而它在原子里从不静止。于是每个原子最终都像一块小得无法想象的条形磁铁，有一个北极、一个南极。
我们把这块原子级的小条形磁铁称作磁矩。这里的「矩」与时间毫无关系——它是一个古老的物理词，意思是「转动的力量」，就像一把长扳手能让你拧螺栓时更省力一样。磁矩衡量的是某物在磁场中转动对齐的劲头有多大、以及它指向哪个方向。你可以把它想象成贴在原子上的一支小箭头，就像指南针的指针。
原子内部有两样东西造就了这磁矩。其一，电子绕原子核运动，而电荷沿着环路绕行恰好就是一股小电流——而电流环就是一块磁铁。其二，也更为重要的是，每个电子都有一种与生俱来的性质，叫做自旋，它的表现就好像电子是一个旋转的带电小球、自己产生磁场一样。你不必真的把自旋想象成在转；只需把它当作每个电子随身携带的一块永久的小磁铁。
抗磁性：温柔的推开
现在把一块外部磁铁靠近某种材料。即便是本身没有净磁矩的原子，也会有些微的反应。当你打开磁场时，绕行的电子会微妙地调整运动，去抵抗这种变化——它们会唤起一股自己的微弱磁场，指向相反的方向。结果就是抗磁性：材料被磁铁微微地排斥。这是宇宙的默认反应；每种材料都会如此，只不过通常这效应被更强的效应所掩盖。
这是个极其微小、却真实存在的效应。水、木头、塑料、铜，乃至你自己的身体，全都是抗磁的。只要磁铁足够强，你真的可以让一滴水、甚至一只小青蛙悬浮起来——那温柔的推开之力，被强大的磁场放大后，足以与重力抗衡。可以把抗磁性想象成大自然的条件反射：用磁场戳一戳物质，它就往后一缩。
顺磁性：一群没有领头的指南针
如果一种材料的原子确实保留了一些未成对的电子，那么每个原子上都带有真实的磁矩。在没有外加磁场时，这些微小的指南针指向四面八方，被热搅得杂乱无章——那永不停歇的颤动，我们称之为热运动。它们的箭头平均下来彼此抵消，所以整块材料对外不显磁性。但一旦打开外加磁场，每根小指南针都会试图转动、与磁场对齐。
这就是顺磁性：材料被磁铁微弱地吸引，与抗磁性的符号正好相反。但这是一场拔河。磁场把指南针拉到一条线上；热又把它们撞得偏离队列。所以这种对齐永远是部分的、脆弱的，而你一撤掉磁场，指南针又重新四散。这里没有记忆——顺磁体不会保持被磁化的状态。
甚至还有一个更安静的「表亲」值得一提。在金属中，自由游荡的电子之海会带来一种微弱、且随温度变化不大的吸引，称为泡利顺磁性。现在你不必深究它的细节——只需知道：金属会从它们可移动的电子那里，在原子本身的贡献之上，再添上一份自己独有的、小小的磁性风味。
磁化率：一个回答「有多磁？」的数字
物理学家喜欢用一个数字来回答「如果我施加一个磁场，这东西的反应有多强？」这个数字就是磁化率。它比较的是你得到了多少磁性、相对于你施加了多少磁场。这个数字的正负号，一眼就能道尽整个故事。
- 负的磁化率意味着材料抵抗磁场、往回推——这就是抗磁性。这个数值极小。
- 一个小小的正磁化率意味着材料被温柔地拉入磁场——这就是顺磁性。
- 一个巨大的正磁化率则暗示着有某种强得多的东西在起作用——那就是下一篇我们要遇见的协同磁性。
测量磁化率如何随温度变化，是科学家拿到一种新材料时最先要做的事情之一。正如我们所见，热会与对齐对抗，所以对一个简单的顺磁体而言，你把它加热时，磁化率会稳步下降。这条干净利落的趋势如此可靠，以至于它有了自己的名字和一条简洁的规则——这恰好为我们的下一个故事埋下了漂亮的伏笔。
为什么这很重要
世界上大多数东西都只有微弱的磁性。我们真正使用的强磁铁稀少而特殊，而要理解它们，我们首先得理解其他一切所栖身的那个温柔的背景。抗磁性与顺磁性就是这个背景：一场磁场、自旋着的电子与热之间的安静对话。接下来几篇里所有那些戏剧性的现象，都建立在这同样的三位角色之上。
这里有一根要往后接的线索。在顺磁体里，原子指南针彼此不理不睬——每一个只听从外界磁场的号令。接下来几篇里那些戏剧性的磁体，则诞生于指南针不再彼此无视、而开始交谈之时：当一个原子的磁矩能够感受并影响它邻居的磁矩。这场对话一旦开始，温柔的磁性就会变成某种能吸在冰箱上的东西。