一个物体置于外界干扰（称外场）之下，它会根据内部结构的不同而做出截然不同的响应。例如静电感应现象，在静电场里的金属材料，因为内部电荷的重新分布，会在表面感应出正电荷或负电荷。如果将一个材料置于静磁场之下，它又会做出怎样的响应呢？
最早研究这个问题的是法国物理学家皮埃尔·居里，他发现物质对外磁场的响应是：磁化率和温度成反比关系（居里定律）。后来，皮埃尔·外斯发现，在大部分材料里面，这个反比关系是在某个特定温度以上才出现，于是居里定律改名为居里-外斯定律。就大部分材料而言，其磁性对外磁场的响应随温度降低而表现为顺磁性。
从微观上看，原子的顺磁性主要来于电子自旋磁矩的贡献，抗磁性则主要来于电子轨道磁矩的贡献，前者一般要比后者大得多，所以许多材料中抗磁性难以体现。不过，在惰性气体和金、银、铜等金属单质中都具有抗磁性，而食盐、水以及绝大多数有机化合物呈现出很强的抗磁性。为了验证水和有机化合物的抗磁性究竟有多强，充满好奇心的荷兰物理学家安德烈·海姆在他的强磁场实验室玩起了花样。他把一只活的青蛙放进了20特斯拉强磁场中，出现了神奇魔法—青蛙因为抗磁性而被磁悬浮起来。无独有偶，中国的“疯狂”科学家利用超声波技术，也玩起了各种悬浮花样，包括各种小昆虫、蝌蚪、小鱼。美国宇航局的科学家更是超级疯癫地把一只10克重的活白鼠给磁悬浮起来了（图1）。人造钕铁硼合金的磁场强度达到1特斯拉，你不妨试试，或许用磁铁可以隔空推动小块黄瓜或西红柿。
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一般来说，金属中顺磁性要比抗磁性强三倍，磁化率和温度无关。要理解其物理根源，运用量子力学理论，泡利和朗道给出了非常直观的解释。按照泡利的理解，材料内部的电子本来是对称分布的，自旋向上和自旋向下的电子数目相等，在没有外磁场情况下不显磁性；如果引入了外磁场，这种平衡将被打破，这时沿着磁场方向自旋的电子数目增加，而自旋和磁场方向相反的电子数目将减少，导致整体沿着磁场存在一个顺磁的磁矩（称为金属的泡利顺磁性.图2）。朗道从电子运动方式分析，在磁场影响下电子的回旋运动会出现能量量子化（朗道能级.图3），从而金属导体整体能量会随着外磁场强度周期性规律变化，相应出现抗磁性的特征（称为金属的朗道抗磁性）。在量子化的朗道能级影响下，随着外磁场的增加，金属的磁矩、电阻、比热等物理性质会出现“量子振荡”行为。在量子振荡行为中，隐藏着许多尚待发现的物理，物理学家们为之仍在努力。
图2：泡利与金属顺磁性
图3：朗道与量子振荡效应 |
对电和磁的研究表明，凡是存在某些电现象，必然同时伴随着特定的磁现象。在物理学家们忙于寻找超导材料的同时，马克斯·普朗克的弟子沃尔特·迈斯纳跟随昂尼斯等人的脚步，于1922年在德国着手建立了当时世界第三大氦气液化器（三年后完成）。
（迈斯纳与超导体的完全抗磁性）
图4：实验观测金属锡的迈斯纳效应 |
基于掌握了液氦低温物理技术，迈斯纳的超导研究于1933年终于实现了突破。他和他的学生罗伯特·奥森菲尔德在对金属球体做磁场分布测量时发现，磁场中的锡或铅金属球在冷却进入超导态时，磁力线似乎一下子从球内部被“清空”出去。由于无法直接测量超导体内部的磁场变化，他们只能按照内外磁场相反的变化行为来推断：超导体内部的磁感应强度为零，磁力线会绕开超导体跑(图4)。
图5：“理想”导体与超导体的磁性的区别 |
迈斯纳效应告诉我们，超导体并不简单地等于“理想”导体，它具有特殊的电磁性质。只有同时具有零电阻效应和完全抗磁性这两个独立物理性质的材料，才可以被严格地称之为超导体（图5）。前面提及的食盐、水、甚至青蛙等都存在一定的抗磁性，但它们绝对不是超导体。超导体的完全抗磁性，要远远比电子轨道磁矩变化引起的抗磁性大得多，是目前发现的最强抗磁现象。超导材料一旦降温进入超导态，就能完全抵御外磁场的入侵。
图6：伦敦穿透深度与磁场进入超导体内部情况 |
当然，在迈斯纳态，磁场还是可以穿透进入到超导体表面和边缘处的。随着外磁场强度的增加，磁场穿透的深度也会越来越大，最终超导性能完全消失。这一现象于1935年由伦敦兄弟提出。因为超导体内部磁感应强度为零，对麦克斯韦方程组稍加修改就可以得到新的描述超导电磁特性的伦敦方程。由伦敦方程可知，磁感应强度在进入超导体之后呈指数衰减，其穿透深度又称为伦敦穿透深度（图6）。
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