شما اگر در فشار هوای معمولی یا همان یک اتمسفر، آب را سرد کنید، در نزدیکی صفر درجه‌ی سانتیگراد، آب یخ می‌زند. برای اینکه بنزین یخ بزند، باید به دمای منفی چهل درجه برسد. اما این دما برای یخ زدن کربن دی اکسید کافی نیست و برای یخ زدن کربن دی اکسید، باید آن را تا هفتاد و هشت درجه‌ی سانتیگراد، سرد کنید. اگر بخواهید استون همان محلولی که لاک ناخن را با آن پاک می‌کنند یخ بزند، باید آن را تا دمای منفی نود و چهار درجه‌ی سانتیگراد سرد کنید. اگر بخواهید الکل از نوع اتانول یخ بزند، باید آن را تا منفی صد و چهارده درجه‌ی سانتیگراد سرد کنید. یخ زدن نیتروژن اما به دمای بسیار پایین‌تر منفی ۲۱۰ درجه نیاز دارد.
شما هر عنصری (البته موارد گفته شده همگی عنصر نبودند) را می‌توانید در فشار اتمسفری آنقدر سرد کنید تا یخ بزند و جامد شود، به جز هلیوم.
این به جز انگار همیشه کار را خراب می‌کند. هر نظریه‌ای یک “به جز” دارد به جز همین نظریه که “هر نظریه‌ای یک به جز دارد”. به هر حال این هلیوم خیلی سرتق است و هرچقدر هم آن را سرد کنید، در فشار اتمسفری یخ نمی‌زند و جامد نمی‌شود. حتی اگر آن را تا نزدیکی صفر مطلق یعنی منفی ۲۷۳/۱۵ درجه‌ی سانتیگراد سرد کنید. البته گفتیم تا نزدیکی، چون به لحاظ تئوری، ما هیچوقت نمی‌توانیم به صفر مطلق برسیم، به همین خاطر اسمش را گذاشته اند صفر مطلق.
اما چرا هلیوم تا چنین دمایی نیز یخ نمی‌زند؟
در دماهای بالا، ما دما را به عنوان معیاری از انرژی در نظر می‌گیریم. شما وقتی ظرف آب را روی اجاق گاز قرار می‌دهید تا برنج دم کنید، به مولکول‌های آب انرژی می‌دهید. انرژی این مولکول‌های آب رفته رفته زیاد می‌شود تا جایی که دیگر درون مایع آزادی عمل ندارند و به همین خاطر به بیرون می‌پرند و وارد فاز بخار می‌شوند که آزادی عمل بیشتری دارند. وقتی هم که ظرف آب را داخل یخچال می‌گذارید، انرژی این مولکول‌های آب را می‌گیرید و این مولکول‌ها مرتبا به هم نزدیک‌تر می‌شوند تا اینکه به هم بچسبند و یخ را بسازند. پس انگار دما نمایانگر میانگین انرژی ذرات است.
اما در دماهای بسیار پایین، دیگر دما تنها نشان دهنده‌ی انرژی ذرات نیست. بلکه معیاری از آنتروپی آن‌هاست. حتی اگر ما به صفر مطلق نیز نزدیک شویم، باز هم طبق اصل عدم قطعیت، نمی‌توانیم بگوییم که این ذرات به انرژی صفر رسیده اند. چرا که اگر ما بگوییم که این ذرات هیچ نوع حرکتی ندارند، گویی توانسته ایم همزمان مکان و انرژی (مومنتوم) آن‌ها را دقیقا مشخص کنیم که طبق اصل عدم قطعیت، چنین چیزی امکان پذیر نیست.
پس در دماهای نزدیک به صفر مطلق نیز، ذرات دارای انرژی هستند که به انرژی نقطه‌ی صفر (zero point energy یا zpe) شناخته می‌شود.
اما برای هلیوم، این انرژی نقطه‌ی صفر آنقدر بالاست که اجازه نمی‌دهد اتم‌های هلیوم به یکدیگر بچسبند و فاز جامد را تشکیل دهند. به همین خاطر، هلیوم را نمی‌توان هیچگاه در فشار اتمسفری منجمد کرد. فرآیند انجماد هلیوم بایستی در فشارهای بالاتر از فشار اتمسفری صورت گیرد. اگر هلیوم تحت فشار ۲۵ بار قرار بگیرد، آنوقت می‌توان آن را در دمای منفی ۲۷۲ درجه، منجمد کرد.
تصویر فوق: یک ظرف مخصوص نگهداری هلیوم مایع. دمای جوش هلیوم منفی ۲۶۹ درجه است و با اندک تبادل حرارت با محیط، می‌تواند تبخیر شود.
– اَبا اِباد