Cómo publiqué un artículo científico en Nature

Hace dos años, hojeando un viejo cuaderno con cálculos, me topé con un claro error en una ecuación. Estando completamente horrorizado, esta ecuación fue publicada en una revista científica un mes antes, abandonó todo y comenzó a rehacer el cálculo con urgencia. Y el error no ha desaparecido.



Cómo el error se convirtió en una característica sobre el progreso científico y todas las aventuras al intentar publicar en Nature. Spoiler: casi funcionó.

Como empezó todo

Comenzaré un poco desde lejos. Soy un físico graduado que participa en óptica cuántica aplicada a detectores de ondas gravitacionales en la Universidad de Hamburgo. Un buen día, mi supervisor me llama y dice: “así que dicen, me ofrecieron una publicación invitada en una revista, pero en este momento no hay resultados. Plazo en tres semanas. ¿Tienes alguna idea? ”Hubo ideas, y contamos con urgencia y escribimos un artículo en tres semanas. Después de revisarlo, y exhalar un poco después del maratón, me comprometí a revisar, y lo que descubrimos de todos modos.

Aquí debemos hacer una digresión y decir algunas palabras sobre física. En la naturaleza, el fenómeno de resonancia a menudo ocurre. Cuando tomas un péndulo y actúas sobre él con una fuerza de cierta frecuencia (resonante), de repente comienza a oscilar con una mayor amplitud. Bueno, o un ejemplo clásico: un puente que se derrumba cuando los soldados caminan sobre él.

Entonces, esta amplificación resonante de oscilaciones alcanza un máximo en una frecuencia, y en frecuencias cercanas disminuye suavemente. El rango de frecuencia en el que la ganancia es grande se llama ancho de banda. En los detectores de ondas gravitacionales (GW), los resonadores ópticos se utilizan para amplificar la señal (y la potencia del láser).

Y en el artículo, consideramos el efecto de un cristal no lineal dentro de un detector GW en la dinámica de los espejos. Y de paso consideraron el ancho de banda del detector (el significado de la ecuación no es importante, solo para ilustrarlo aquí):

$$

$$\ gamma \ sim \ frac {1} {1 + R_s (\ cosh 2r \ cos 2 \ phi \ cos 2 \ psi - \ sin 2 \ phi \ sin 2 \ psi) + R_s ^ 2}$$

Observo esta ecuación, y el sudor frío me atraviesa: con una cierta combinación de parámetros, el denominador se desvanece y el ancho de la tira se vuelve infinito.

Imagínese: ¡un resonador que amplifica una señal de cualquier frecuencia! Un sueño! Pero lo más probable es un error, y esto no tiene ningún valor: el artículo ya está impreso. Empiezo a buscar este error, comprobando paso a paso los cálculos, y no puedo encontrarlo. Le escribo a un coautor, él confirma que parece que así es como resulta, pero el misterio absoluto es cómo y por qué. Y debe tenerse en cuenta que un detector con un ancho de banda infinito es el santo grial para los detectores GV. El hecho es que los resonadores tienen una propiedad desagradable: amplifican la señal cerca de la resonancia, y fuera de la resonancia (a altas frecuencias) la suprimen significativamente.


Ilustración de la señal de la fusión de estrellas de neutrones: a altas frecuencias (cerca del momento de la fusión), la señal es suprimida por los resonadores y apenas se distingue por el ruido.

A altas frecuencias, las señales se pierden en el ruido. Y las señales allí son muy interesantes: por ejemplo, los detectores de corriente no pueden capturar el momento mismo de la fusión de la estrella de neutrones : es demasiado alta en frecuencia y se ahoga en ruido. Y después de la fusión, una estrella de neutrones recién formada (o un agujero negro) también puede oscilar, y la evidencia de una desviación de GR o gravedad cuántica puede ocultarse en esta señal. Y a todos les encantaría ver estos eventos.


La curva de sensibilidad característica del detector GW (cuanto más pequeña, mejor). En los chatosts altos, la curva sube: debido al ancho de banda de los resonadores, la señal se pierde en el ruido.

La búsqueda de un detector de banda ancha abarcó varias décadas. Se han publicado muchos artículos que posteriormente han sido refutados con éxito. En los últimos años, han surgido varias ideas ingeniosas que, sin embargo, requieren tecnología mucho más allá de lo que se está implementando actualmente. Y aquí está la suerte: una técnica estándar en óptica da el efecto deseado. ¿O todavía no lo es?

Tomé boletos de avión y volé urgentemente a un coautor en Caltech (el beneficio era una visa para los Estados Unidos), para entender. Una semana y media del modo de operación estadounidense (de 9 a.m. a 10 p.m., siete días a la semana - hola agotamiento) y todavía nos dimos cuenta de lo que sucedió exactamente en mi ecuación allí.

Un poco sobre física

En esta parte, hablaré de dónde viene el efecto. Para aquellos que desean leer la continuación de la historia de la publicación sin detalles tediosos, con la conciencia tranquila, terminen en la siguiente parte.

En el detector GV, hay muchos ruidos diferentes con los que los científicos luchan por diversos medios ( aquí hay un artículo sobre esto ). Uno de los más fundamentales es el ruido cuántico. El ruido cuántico afecta la sensibilidad a bajas frecuencias y altas frecuencias de diferentes maneras. A bajas fluctuaciones cuánticas, las amplitudes del láser empujan los espejos y conducen a un movimiento aleatorio, lo que interfiere con el registro de la señal. A altas frecuencias, se dispara el ruido de detección (los fotones llegan al fotodiodo con un retraso aleatorio). Escribí con más detalle sobre los ruidos cuánticos y los métodos para tratarlos usando luz exprimida en un artículo anterior .

Hay dos opciones para amplificar la señal con respecto al ruido: puede usar resonadores con un factor Q más alto (amplificar la señal y la potencia de la luz), o puede usar luz comprimida.

Los resonadores ya están en uso, pero, como escribí anteriormente, cuanto más amplifican la luz, menor es el ancho de banda del detector. Idealmente, debe aumentar el ancho de banda del detector sin sacrificar la sensibilidad a bajas frecuencias. La luz comprimida se usa en todas partes en los detectores, pero no permite aumentar el ancho de banda: aumenta la sensibilidad a altas frecuencias. Peor aún: la compresión reduce la sensibilidad en baja (ver aquí ). E idealmente, desea que las bajas frecuencias permanezcan al menos igual de sensibles.

En nuestro nuevo trabajo, utilizamos los resonadores del detector en sí para crear compresión solo a altas frecuencias. El detector de ondas gravitacionales consta de muchos resonadores acoplados. Los resonadores en los brazos amplifican el poder de la luz y amplifican aún más la señal dentro del ancho de banda. Hay un resonador para amplificar adicionalmente la potencia de la luz (reciclaje de potencia), y hay uno separado para amplificar la señal (extracción de señal). Nos centraremos en lo último. Este resonador está formado por dos espejos: uno a la salida del interferómetro y otro: el espejo frontal del resonador en los hombros.

Un rasgo característico de la configuración del interferómetro es que normalmente no hay luz a la salida del divisor de haz central (llamado "puerto oscuro"). Solo existen fluctuaciones de vacío en el resonador de señal. Como resultado, podemos imaginar el detector como dos resonadores acoplados:


Tal representación es útil para calcular el ruido cuántico. Por lo general, los dos espejos frontales se reemplazan con un espejo efectivo, y fue en este momento que encontramos propiedades interesantes. Si consideramos estos resonadores acoplados, podemos obtener un resultado inesperado (para las personas que están acostumbradas al cálculo estándar: el resultado).

Los resonadores acoplados, como otros osciladores, tienen una propiedad de latido interesante:


Si excita oscilaciones en un oscilador, la energía entre ellos se transmitirá cíclicamente y oscilarán alternativamente. Si se agrega una fuerza externa a uno de los osciladores, con una cierta elección de fase, toda la energía se transferirá al segundo oscilador, ¡y el primero permanecerá inmóvil! Es esta propiedad la que usamos en nuestro trabajo.

Si ajusta la resonancia de dos resonadores acoplados en la imagen de arriba de cierta manera, al aplicar luz (o fluctuaciones de campo de vacío) al resonador de señal, toda la energía irá a la cavidad del hombro, ¡y la amplitud de la señal seguirá siendo cero! Suena extraño, pero se debe decir interferencia para este efecto: debido al acoplamiento entre los resonadores, la amplitud de las ondas que salen de la cavidad del hombro compensa exactamente la amplitud de la luz dentro del resonador de señal. Y él está esencialmente en anti resonancia.

Si cambia la frecuencia de la luz aplicada, el resonador de señal está más en resonancia y el hombro en antirresonancia.



Y ahora el truco principal: si colocamos un cristal no lineal en el resonador de señal que produce luz comprimida , entonces para bajas frecuencias no producirá compresión (el resonador de señal está en antirresonancia, ¡no hay campo allí!).



Cuanto mayor sea la frecuencia de la señal, mayor será la compresión. Por lo general, la supresión de la señal debido al ancho de banda del resonador se compensará con precisión mediante la compresión del ruido, de modo que la relación señal / ruido permanecerá sin cambios. Como resultado, aumenta el ancho de banda del detector.



Cabe señalar que no obtuvimos ningún ancho de banda infinito, por supuesto. Resultó que la aproximación que usamos (estándar para los cálculos) no es del todo precisa para este caso particular. Y aunque el ancho de la tira realmente se vuelve mucho más grande, sigue siendo finito. La mejor parte es que este enfoque no afecta el ruido a bajas frecuencias, al tiempo que mantiene una alta sensibilidad (y permite el uso de otros dispositivos cuánticos para reducir el ruido de baja frecuencia).

¿Cómo ayuda esto en la detección? Volvamos nuevamente al ejemplo de la señal GV anterior. ¡Ahora a altas frecuencias podemos comprimir el ruido y ver la señal nuevamente!



Calculamos que para los detectores de generaciones futuras, como el Telescopio Einstein , la probabilidad de ver el momento de fusión de la estrella de neutrones es inferior al 9% por año (para un cierto tipo de estrella de neutrones). Usando nuestra idea, dicha probabilidad, dependiendo de la calidad de la óptica, puede aumentar a 75 e incluso al 100%. La principal dificultad en este asunto es lograr una calidad óptica suficientemente buena, lo cual es bastante difícil.

Mi articulo y otros animales

Cuando regresé de los Estados Unidos, tenía todos los resultados principales y un texto de 40 páginas en mis manos. Con esto fui al profesor de ciencias, porque era hora de decidir a qué revista enviar el artículo.

El científico miró todo esto y dijo: ¿pero deberíamos intentarlo en Ciencia?

Es importante comprender que el mercado poco saludable para los puestos académicos se basa principalmente en el número de artículos en revistas altamente citadas. Si desea tener la oportunidad de un puesto permanente en un buen instituto, publíquelo en Science, Nature y en revistas sobre. Y no hay escapatoria de esto, por desgracia. Pero debo decir que estas revistas requieren un enfoque muy especial del texto: es necesario escribir para que el no físico pueda comprender fácilmente la mayor parte del texto. Es decir, texto e imágenes perfectamente pulidos. Durante los siguientes tres meses, escribí y reescribí el texto, que contiene toda la información de las 40 páginas del borrador a las cuatro páginas requeridas.

Y ahora, en diciembre de 2018, el texto fue verificado, pasó por muchos coautores muchas veces, y presioné el botón de enviar, llenando un millón de formularios diferentes en el sitio web de la revista Science. Dos semanas de dolorosa expectativa y ...

Gracias por enviar su manuscrito "Título del artículo" a Science. Debido a que su manuscrito no recibió una calificación de prioridad suficientemente alta durante el proceso de selección inicial, hemos decidido no proceder a una revisión en profundidad. La opinión general es que si bien su trabajo será de gran interés para el campo, no es uno de los más competitivos en términos de interés general.

Tristeza Pero en general sería sorprendente si rodara. Nada, entonces viene nuestro verdadero objetivo: Nature Physics, que se especializa en física, y recientemente ama todo sobre las ondas gravitacionales. Una semana de rehacer el texto a sus requisitos, otro millón de formularios, el botón "Enviar", dos semanas de tormento y ...

Gracias por enviar su manuscrito titulado "Título del artículo" ... lamentamos decir que no podemos ofrecerle publicar su artículo en nuestra revista.
...
Creemos que este manuscrito encontraría una salida más apropiada en una revista que publica investigaciones más especializadas, donde sus méritos se pueden apreciar plenamente.

Esto es molesto. Especialmente porque otras revistas simplemente requieren un estilo diferente para el texto. Y esto significa que todas las propuestas verificadas y tres meses de trabajo no tienen valor.

Intentamos Physical Review X: puede dejar el estilo en él (otra semana de trabajo):

Creemos que el artículo estará mejor ubicado en una revista especializada en óptica cuántica o desarrollo de instrumentos para la detección de GW.

Mientras tanto, han pasado 4 meses desde la primera presentación. No hay nada que hacer: debe seguir los consejos y buscar una revista más adecuada. Afortunadamente, la misma Nature publica muchas revistas temáticas buenas: Nature Photonics, Nature Communications, etc. En este momento estoy buscando un tiempo estándar desde la presentación hasta la publicación en estas revistas, y veo con desánimo los valores de 6-12 meses. Pero el artículo ya está en la garganta, quiero publicarlo pronto y comenzar nuevos proyectos.

La elección recae en Light: Science & Applications, también una revista de Nature. Y la ventaja: el manuscrito no necesita ser rehecho, puede transferirlo directamente de un intento anterior con Nature Physics.

¡Diez minutos para completar el formulario, "Enviar"! Pasa una semana, el segundo, tercero, no se sabe nada de ellos. Esta es una buena señal, ¡significa que el editor de la revista no la rechazó de inmediato, sino que la envió para su revisión! Casi tres meses después, llegan las revisiones. Uno positivo, uno más o menos, uno es negativo (el revisor no entendió nada):

Después de una cuidadosa revisión por pares, me gustaría sugerir revisiones importantes a su manuscrito. Es probable que su manuscrito se envíe a los revisores actuales y posiblemente a uno o más revisores nuevos adicionales para obtener más información y asesoramiento antes de tomar una decisión final sobre una posible publicación.

Dos semanas para editar el texto y escribir las respuestas, otras tres semanas de espera, vienen dos nuevas revisiones, una positiva, una requiere agregar dos páginas de la ext. materiales en el texto principal, esencialmente reescribiendo el artículo. Un mes de disputas con el revisor, el texto sale de sus manos tenaces casi sin cambios (¡victoria!) Y finalmente la codiciada carta:

Me complace informarle que, a la espera de recibir los formularios y las revisiones menores solicitadas a continuación, su manuscrito mencionado anteriormente será aceptado para su publicación en Light: Science & Applications.

Y entonces comienza la rutina de publicación. Traduce de LaTeX a Word (hola siglo XX), ediciones, conciliaciones, corrección de pruebas, nuevas ediciones, corrección de pruebas nuevamente. Pague 3.5k por publicación (¡pero acceso abierto!). Escribe una reseña popular, haz ilustraciones ... En general, otro mes y medio de pruebas.

Y así, un año después de la presentación, casi dos años después del inicio del trabajo, el artículo sale con una hermosa url que comienza con el codiciado "nature.com" (bueno, que sea una revista subsidiaria y se publique en China): https: // www. nature.com/articles/s41377-019-0230-2 . ¡Puedes leer otro comunicado de prensa en EurekAlert!

La pregunta sigue siendo: ¿por qué es todo esto? ¿Hay una línea en el CV de todo este desorden y toneladas de tiempo dedicado a escribir en lugar de ciencia real? No importa lo absurdo que sea, pero en el mercado laboral académico moderno, parece que sí.

Conclusión

La ciencia moderna está infectada con el virus publicar o perecer. En lugar de publicar los resultados, los científicos se ven obligados a refinar su trabajo presentando los resultados de la manera más favorable para "venderlos" a revistas "geniales". Todo esto va en detrimento de la objetividad de la presentación de los resultados, y en el proceso de escribir el artículo lo experimenté completamente. A veces parece que una pequeña imprecisión no jugará ningún papel, pero ayudará a impulsar el artículo más alto. Espero haber logrado suprimir estos deseos, y tales imprecisiones no se colaron en el texto. Pero el proceso en sí mismo corrompe increíblemente.

Lo que es peor: estamos luchando por entrar en la Naturaleza, que luego arrancan dinero salvaje por proporcionar acceso al artículo. Debido a ellos, las instituciones pobres no pueden leer los estudios más progresivos (gracias al Sci-hub por eliminar las barreras). La ciencia se detiene en muchas áreas, y no está del todo claro cómo salir de este estado de equilibrio.

PS Varios

1. Mientras tanto, los detectores LIGO y Virgo utilizan luz cuántica exprimida para aumentar la sensibilidad continuamente.
2. LIGO, mientras tanto, está observando nuevamente, detectando candidatos para HB semanalmente.
3. Nueva aplicación de informes de eventos: Chirp ( Google Play y App Store )

Y finalmente: si quieres ver mis intentos de descubrir cómo llevar a cabo un twitter científico, bienvenido: @hbar_universe .