水真的會排斥磁鐵嗎？
― 在強力磁鐵上方，活生生的青蛙浮了起來
不會被磁鐵吸住的東西，常被認為和磁鐵「毫無關係」。但其實水一直在用極微弱的力量試圖逃離磁鐵。這股力量非常微弱，平常根本察覺不到。然而，只要把磁鐵變得極強，由水構成的生物就會直接浮在半空中。
把用來固定冰箱便條紙的磁鐵靠近杯中的水，水看起來毫無變化。
但在1997年，荷蘭的一間研究機構，把一隻活生生的小青蛙放進了一個筒狀的巨大磁鐵中。青蛙在筒中沒有任何支撐，就這樣輕飄飄地浮了起來。
青蛙體內並沒有鐵。讓牠浮起來的，正是佔了牠身體大部分比例的「水」本身。
青蛙能浮起來，理由只有兩個
水中的電子在磁鐵靠近時，會轉變成朝著推開磁鐵方向的小磁鐵。所以水會以極微弱的力量排斥磁鐵。
排斥力在磁鐵強度變為2倍時約增至4倍，變為10倍時約增至100倍。極端強力的磁鐵最終能超過體重。
也就是說，排斥力其實一直存在。只是平常的磁鐵太弱，敵不過重力而已。
水為什麼會排斥磁鐵？
所有物質都是由原子組成。原子內部，電子不斷運動著。電子運動時，周圍就會產生小磁鐵般的性質。
當外部磁鐵靠近時，電子的運動會產生極細微的變化。這種變化有一定的規律：會朝著「抵消」靠近磁鐵影響的方向改變。
結果，水就變成了與靠近磁鐵方向相反的、極微弱的磁鐵。就像靠近的是N極，水的那一側也會出現面對面的N極一樣。所以會被推開。
這種性質其實不只水才有。木頭、塑膠、我們的身體，都同樣會微弱地排斥磁鐵。像鐵那樣被強烈吸引的物質，只是這種微弱排斥被更強的「吸引」給掩蓋了而已。
為什麼平常察覺不到？
水排斥磁鐵的力量，比起鐵被磁鐵吸引的力量，弱得不可思議。據稱水對磁場的反應程度，僅約為鐵的一億分之一。
這時第二個理由就發揮作用了。排斥力與磁鐵強度的平方成正比。請看圖1右側。冰箱磁鐵約為0.005特斯拉（特斯拉是磁場強度的單位）。讓青蛙浮起的磁鐵是16特斯拉，強度約為前者的3200倍。由於是平方關係，推斥力的差距竟達到1000萬倍。
此外，要讓物體浮起，除了「強度」之外，還需要磁場強度隨位置急遽變化。如圖1左側所示，在筒口處磁力線會擴散，越往上磁場越弱。水會被推向較弱的一側，因而產生向上的力。
身體裡的水，在各個位置都受到相同方式的推力。因此青蛙全身各處都被均勻地支撐著，據認為進入了一種幾乎感覺不到重量的狀態。實驗結束後，青蛙據說安然無恙。
讓青蛙浮起的其中一位物理學家安德烈·蓋姆，因這項實驗在2000年獲頒「先令人發笑、後引人深思」的搞笑諾貝爾獎。而到了2010年，他又以另一項研究獲得諾貝爾物理學獎。據稱至今沒有其他人同時獲得這兩項獎項。
已知液態氧靠近強力磁鐵時會被吸住。這是因為氧分子具有的「吸引」性質比微弱的排斥更強。即使同樣是液體，內部電子的排列方式不同，對磁鐵的反應就會截然相反。
總結
不會被磁鐵吸住的物質，其實都在用極微弱的力量試圖逃離磁鐵，水也是其中之一。由於力量會隨磁鐵強度的平方增加，只要把強度提升到冰箱磁鐵的數千倍，甚至連由水構成的生物都能被浮起來。平常之所以看不見這股力量，並非因為它不存在，而是因為太過微弱，被重力掩蓋了而已。
不會被磁鐵吸住的東西，並非與磁鐵毫無關係。
只是牠稍微不太喜歡磁鐵罷了。
關於磁力如何穿透紙張與手掌仍能吸附的原理，請見「磁鐵為什麼隔著紙張或手也能吸住東西？」；把磁鐵切成兩半會發生什麼事，請見「把磁鐵切成一半，會變成只有N極的磁鐵嗎？」。
- 在吸管兩端各插上一顆葡萄。把吸管的正中央放在寶特瓶蓋上，讓它保持平衡。
- 用盒子等物品擋住風，等吸管靜止不動。
- 把強力釹磁鐵緩緩靠近葡萄，直到快要碰到但還沒碰到為止。葡萄會像是要逃離磁鐵一樣，緩緩開始轉動。
葡萄幾乎都是水分，會出現和本文相同的排斥現象。動作非常緩慢，請耐心觀察。釹磁鐵威力極強，兩顆磁鐵夾到手指會受傷。若被幼童誤食會很危險，請務必收在孩童拿不到的地方。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目，明確標示各段落的程度
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「物理」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄等級的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（電磁學、物性物理學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教授、屬於研究者目前仍在探討中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 反磁性：磁鐵靠近時，會變成方向相反的微弱磁鐵而產生排斥的性質。水、木頭、銅、鉍等許多物質都具有此性質。
- 順磁性、鐵磁性：會被磁鐵吸引的性質。微弱吸引的稱為順磁性（如液態氧），強烈吸引的稱為鐵磁性（如鐵）。
- 反磁懸浮：利用反磁性的排斥力，使物體浮在半空中。青蛙實驗就是其代表案例。
國中高中用公式驗證：要讓水浮起來，需要多強的磁鐵？
建立每立方公尺水所受「推斥力」與「重力」平衡的條件，估算所需的磁鐵強度。
| 以符號表示 | B × ( dB ／ dz ) ＝ μ0 × ρ × g ÷ |χ| |
| 以文字表示 | 磁鐵強度 × 向上時強度的遞減程度 ＝ 真空磁導率 × 水的密度 × 重力加速度 ÷ 水的排斥難易度 |
| 公式的由來 | 反磁性物質所受的向上力量（單位體積為 |χ| × B × 斜率 ÷ μ0），與單位體積的重量（ρ × g）達到平衡 |
| 符號 | 意義與單位 |
| B | 磁鐵強度（磁通密度）。單位為特斯拉 |
| dB ／ dz | 向上前進1公尺時強度的變化量。單位為特斯拉每公尺 |
| μ0 | 真空磁導率。約1.26 × 10⁻⁶（單位為特斯拉．公尺每安培） |
| ρ | 水的密度。單位為公斤每立方公尺 |
| g | 重力加速度。單位為公尺每秒平方 |
| χ | 體積磁化率（排斥難易度）。水為負值，無單位 |
| 水的體積磁化率大小 | 約為9.0 × 10⁻⁶ |
| 真空磁導率 | 約1.26 × 10⁻⁶ |
| 水的密度 | 1000 公斤每立方公尺 |
| 重力加速度 | 9.8 公尺每秒平方 |
| 磁鐵內強度大幅變化的距離（筒的大小參考值） | 約0.1 公尺 |
| 排斥難易度 ÷ 磁導率（兩個10⁻⁶互相抵消） | 9.0 ÷ 1.26 ≒ 7.14 |
| 單位體積的重量 | 1000 × 9.8 ＝ 9800 |
| 所需的「強度 × 強度遞減程度」 | 9800 ÷ 7.14 ≒ 1373 |
| 把遞減程度視為「強度 ÷ 0.1公尺」，則強度的平方為 | 1373 × 0.1 ≒ 137 |
| 137 的平方根 | 約為11.7特斯拉 |
| 與冰箱磁鐵（0.005特斯拉）相比 | 11.7 ÷ 0.005 ＝ 2340 |
所需強度大約落在10幾特斯拉的範圍。這與實際實驗中使用的16特斯拉磁鐵相當吻合。這是冰箱磁鐵約2000倍以上的強度，超過地球磁場的20萬倍。要讓水浮起來，需要如此極端強力的磁鐵。
高中高中＋為什麼會呈「平方」關係？
高中高中物理會學到，磁場變化時會產生抵消該變化方向的電流，也就是「冷次定律」。反磁性可以大致理解為：原子中電子的運動，會以類似的方向產生微小變化所導致。
高中＋水受磁鐵作用而產生的反應（磁化），與磁鐵強度 B 成正比。而這個磁化又會受到磁鐵強度「梯度」的作用而產生力量。由於成正比的量出現了兩次，力量就與 B 和梯度的乘積、也就是大致與強度的平方成正比。因此磁能可以寫成單位體積 |χ| × B² ÷ ( 2 × μ0 ) 的形式。
大學普通磁鐵無法穩定地讓物體浮起
即使組合多個永久磁鐵，也無法讓物體持續穩定地靜止懸浮。這正是恩紹定理所指出的限制。然而反磁性物質會朝磁場「較弱處」自然穩定下來，因此能夠逃脫這項限制。這也被稱為布朗貝克擴展。反磁性的成因本身，則以量子力學處理電子軌道運動的朗謬爾反磁性（朗之萬反磁性）來解釋。在解說青蛙實驗的論文《Of flying frogs and levitrons》中，對這種穩定的條件有詳細討論。
📖 公式推導及更深入的內容：反磁性（維基百科，日文） ／ 恩紹定理（維基百科，日文）
研究目前尚未完全釐清的部分
- 能在多大程度上重現無重力狀態 反磁懸浮被用來模擬細胞或小型生物的「無重量狀態」。不過由於身體中各種成分的排斥難易度各有微妙差異，這種狀態究竟能與太空中的無重力相似到什麼程度，據稱仍在討論中。
- 長時間處於強磁場中的影響 生物長時間處於超過10特斯拉的磁場中會發生什麼事，目前仍在研究之中。
- 能以較弱磁鐵浮起的材料 像石墨這類排斥力比水強數十倍的物質，已知在釹磁鐵上就能浮起。目前正在研究製造排斥力更強的材料。
也就是說，本文的內容也僅是「目前已知範圍內的說明」。理論上人體也應該能浮起來，但據稱目前尚無法製造出容納人體大小、且強度足夠的磁鐵。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文位置 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化2年級「電流與磁場」 | 磁鐵強度、磁力線的擴散 |
| 高中 | 物理「電磁感應・冷次定律」 | 排斥力朝「抵消」方向產生 |
| 高中＋ | 物理（進階）「物質的磁性」 | 力量與強度平方成正比 |
| 大學 | 電磁學・物性物理學 | 恩紹定理、朗謬爾反磁性 |
| 研究 | 生物物理學・材料科學 | 重現無重力狀態、新型反磁性材料 |
| ― | 與生活的關聯 | 醫院檢查設備的強磁場、釹磁鐵的使用方式 |
- M. V. Berry, A. K. Geim, "Of flying frogs and levitrons", European Journal of Physics 18 (1997)
- NobelPrize.org「Andre Geim – Facts」
- 維基百科「反磁性」（日文版，反磁性）
- 國立天文台編《理科年表》丸善出版（物質的磁化率，日文文獻：理科年表）
※本文為大眾取向的科學解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考、概算值。超過10特斯拉的磁鐵是研究機構的特殊設備，無法在家中重現。使用釹磁鐵時，請務必小心夾傷及誤食的風險。