Wie ich einen wissenschaftlichen Artikel in Nature veröffentlicht habe

Als ich vor zwei Jahren ein altes Notizbuch mit Berechnungen durchblätterte, stieß ich auf einen klaren Fehler in einer Gleichung. In völligem Entsetzen - diese Gleichung wurde einen Monat zuvor in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht - gab er alles auf und begann, die Berechnung dringend zu wiederholen. Und der Fehler ist nicht vergangen.



Wie sich der Fehler in ein Feature über den wissenschaftlichen Fortschritt und all die Abenteuer beim Versuch, in Nature zu veröffentlichen, verwandelte. Spoiler: fast geklappt.

Wie alles begann

Ich werde ein wenig von weitem anfangen. Ich bin Diplom-Physiker und beschäftige mich mit Quantenoptik für Gravitationswellendetektoren an der Universität Hamburg. Eines schönen Tages ruft mich mein Vorgesetzter an und sagt: „Sie sagten, sie hätten mir eine Gastveröffentlichung in einem Journal angeboten, aber im Moment gibt es keine Ergebnisse. Frist in drei Wochen. Hast du irgendwelche Ideen? “Es gab Ideen, und wir zählten dringend und schrieben in drei Wochen einen Artikel . Nachdem ich es zur Überprüfung gegeben hatte und ein wenig nach dem Marathon ausgeatmet hatte, verpflichtete ich mich zu überprüfen, aber was haben wir trotzdem herausgefunden.

Hier müssen wir einen Exkurs machen und ein paar Worte über die Physik sagen. In der Natur tritt häufig das Phänomen der Resonanz auf. Wenn Sie ein Pendel nehmen und mit einer Kraft einer bestimmten Frequenz (Resonanz) darauf einwirken, beginnt es plötzlich mit einer erhöhten Amplitude zu schwingen. Nun, oder ein klassisches Beispiel: Eine Brücke, die einstürzt, wenn Soldaten darauf gehen.

Diese resonante Verstärkung der Schwingungen erreicht also ein Maximum bei einer Frequenz und nimmt bei Frequenzen in der Nähe gleichmäßig ab. Der Frequenzbereich, in dem die Verstärkung groß ist, wird Bandbreite genannt. In Gravitationswellendetektoren (GW) werden optische Resonatoren verwendet, um das Signal (und die Laserleistung) zu verstärken.

Und in diesem Artikel haben wir die Wirkung eines nichtlinearen Kristalls in einem GW-Detektor auf die Dynamik von Spiegeln untersucht. Und nebenbei haben sie die Detektorbandbreite betrachtet (die Bedeutung der Gleichung ist nicht wichtig, nur zur Veranschaulichung hier):

$$

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

Ich schaue in diese Gleichung und ein kalter Schweiß durchbricht mich: Mit einer bestimmten Kombination von Parametern verschwindet der Nenner und die Breite des Streifens wird unendlich.

Stellen Sie sich vor: einen Resonator, der ein Signal jeder Frequenz verstärkt! Ein Traum! Aber höchstwahrscheinlich ein Fehler, und das ist absolut wertlos - der Artikel ist bereits in gedruckter Form. Ich beginne nach diesem Fehler zu suchen, überprüfe die Berechnungen Schritt für Schritt und kann ihn nicht finden. Ich schreibe an einen Mitautor, er bestätigt, dass es so aussieht, als ob es so ausfällt, aber das absolute Rätsel ist, wie und warum. Und es sollte beachtet werden, dass ein Detektor mit einer unendlichen Bandbreite das Allerheiligste für GV-Detektoren ist. Tatsache ist, dass Resonatoren eine unangenehme Eigenschaft haben: Sie verstärken das Signal in der Nähe der Resonanz und unterdrücken es außerhalb der Resonanz (bei hohen Frequenzen) signifikant.


Abbildung für das Signal aus der Fusion von Neutronensternen: Bei hohen Frequenzen (kurz vor dem Fusionszeitpunkt) wird das Signal von den Resonatoren unterdrückt und ist durch Rauschen kaum zu unterscheiden.

Bei hohen Frequenzen gehen Signale im Rauschen verloren. Und die Signale dort sind sehr interessant: Beispielsweise können Stromdetektoren nicht den Moment der Neutronensternfusion erfassen - sie haben eine zu hohe Frequenz und ertrinken im Rauschen. Und nach der Fusion kann auch ein neu gebildeter Neutronenstern (oder ein Schwarzes Loch) oszillieren und Hinweise auf eine Abweichung von GR oder der Quantengravitation in diesem Signal verbergen. Und jeder würde diese Ereignisse gerne sehen.


Die Empfindlichkeitskennlinie des GW-Detektors (je kleiner desto besser). Bei hohen Chatosts steigt die Kurve: Aufgrund der Bandbreite der Resonatoren geht das Signal im Rauschen verloren.

Die Suche nach einem Breitbanddetektor erstreckte sich über mehrere Jahrzehnte. Es wurden viele Artikel veröffentlicht, die später erfolgreich widerlegt wurden. In den letzten Jahren sind einige ausgeklügelte Ideen entstanden, die jedoch eine Technologie erfordern, die weit über die derzeitige Implementierung hinausgeht. Und hier ist solches Glück - eine Standardtechnik in der Optik gibt den gewünschten Effekt. Oder ist es immer noch nicht?

Ich nahm Flugtickets und flog dringend zu einem Co-Autor in Caltech (der Vorteil war ein Visum in die USA), um zu verstehen. Eineinhalb Wochen der amerikanischen Arbeitsweise (von 9 bis 22 Uhr, sieben Tage die Woche - Hallo Burnout) und wir haben immer noch gemerkt, was genau in meiner Gleichung dort passiert ist.

Ein bisschen über Physik

In diesem Teil werde ich darüber sprechen, woher der Effekt kommt. Für diejenigen, die die Fortsetzung der Publikationsgeschichte ohne langwierige Details lesen wollen - mit gutem Gewissen, kommen Sie zum nächsten Teil.

Im GV-Detektor gibt es viele verschiedene Geräusche, mit denen Wissenschaftler auf verschiedene Weise zu kämpfen haben ( hier ist ein Artikel darüber ). Eines der grundlegendsten ist das Quantenrauschen. Quantenrauschen beeinflusst die Empfindlichkeit bei niedrigen und hohen Frequenzen auf unterschiedliche Weise. Bei geringen Quantenschwankungen drücken die Laseramplituden auf die Spiegel und führen zu zufälligen Bewegungen, die die Registrierung des Signals stören. Bei hohen Frequenzen Schussrauschen der Detektion (Photonen treffen mit einer zufälligen Verzögerung auf die Photodiode ein). Ich habe in einem früheren Artikel ausführlicher über Quantenrauschen und Methoden zum Umgang mit ihnen unter Verwendung von komprimiertem Licht geschrieben.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um das Signal in Bezug auf Rauschen zu verstärken: Sie können Resonatoren mit einem höheren Q-Faktor verwenden (Signal und Lichtleistung verstärken) oder Sie können komprimiertes Licht verwenden.

Resonatoren sind bereits in Gebrauch, aber wie ich oben schrieb, ist die Bandbreite des Detektors umso geringer, je stärker sie das Licht verstärken. Im Idealfall müssen Sie die Detektorbandbreite erhöhen, ohne die Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen zu beeinträchtigen. Überall in Detektoren wird komprimiertes Licht verwendet, das es jedoch nicht erlaubt, die Bandbreite zu erhöhen - es erhöht die Empfindlichkeit bei hohen Frequenzen. Schlimmer noch - Komprimierung verringert die Empfindlichkeit bei niedriger Einstellung (siehe hier ). Und im Idealfall möchten Sie, dass die tiefen Frequenzen mindestens so empfindlich bleiben.

In unserer neuen Arbeit verwendeten wir die Resonatoren des Detektors selbst, um nur bei hohen Frequenzen Kompression zu erzeugen. Der Gravitationswellendetektor besteht aus vielen gekoppelten Resonatoren. Resonatoren in den Armen verstärken die Lichtleistung und verstärken das Signal innerhalb der Bandbreite weiter. Es gibt einen Resonator zur zusätzlichen Verstärkung der Lichtleistung (Power Recycling) und einen separaten zur Verstärkung des Signals (Signalextraktion). Wir werden uns auf Letzteres konzentrieren. Dieser Resonator besteht aus zwei Spiegeln: einem am Ausgang des Interferometers und einem - dem vorderen Spiegel des Resonators in den Schultern.

Ein charakteristisches Merkmal der Interferometereinstellung ist, dass am Ausgang des zentralen Strahlteilers (der so genannte „dunkle Port“) normalerweise kein Licht vorhanden ist. Im Signalresonator sind nur Vakuumschwankungen vorhanden. Als Ergebnis können wir uns den Detektor als zwei gekoppelte Resonatoren vorstellen:


Eine solche Darstellung ist nützlich zur Berechnung von Quantenrauschen. Normalerweise werden die beiden vorderen Spiegel durch einen wirksamen Spiegel ersetzt - und in diesem Moment fanden wir interessante Eigenschaften. Wenn wir diese gekoppelten Resonatoren berücksichtigen, können wir ein unerwartetes (für Leute, die an die Standardberechnung gewöhnt sind) Ergebnis erhalten.

Gekoppelte Resonatoren haben wie andere Oszillatoren eine interessante Schlageigenschaft:


Wenn Sie Schwingungen in einem Oszillator anregen, wird die Energie zwischen ihnen zyklisch übertragen und sie schwingen abwechselnd. Wird einer der Oszillatoren mit einer externen Kraft beaufschlagt, wird bei einer bestimmten Phasenwahl die gesamte Energie auf den zweiten Oszillator übertragen und der erste bleibt unbewegt! Es ist diese Eigenschaft, die wir in unserer Arbeit verwendet haben.

Wenn Sie die Resonanz der beiden gekoppelten Resonatoren im obigen Bild auf eine bestimmte Weise einstellen, wird beim Anlegen von Licht (oder Vakuumfeldschwankungen) an den Signalresonator die gesamte Energie in die Schulterhöhle geleitet und die Amplitude im Signal bleibt Null! Es klingt seltsam, aber für diesen Effekt muss man Interferenz sagen: Aufgrund der Kopplung zwischen den Resonatoren kompensiert die Amplitude der Wellen, die die Schulterhöhle verlassen, genau die Amplitude des Lichts innerhalb des Signalresonators. Und er ist im Wesentlichen in Antiresonanz.

Wenn Sie die Frequenz des eingestrahlten Lichts ändern, ist der Signalresonator stärker in Resonanz und die Schulter in Antiresonanz.



Und jetzt der Haupttrick: Wenn wir einen nichtlinearen Kristall in den Signalresonator einsetzen, der komprimiertes Licht erzeugt, dann wird er bei niedrigen Frequenzen keine Kompression erzeugen (der Signalresonator befindet sich in Antiresonanz - dort ist kein Feld!).



Je höher die Signalfrequenz, desto stärker wird die Komprimierung. Typischerweise wird die Signalunterdrückung aufgrund der Resonatorbandbreite durch Rauschkomprimierung genau kompensiert, so dass das Signal-Rausch-Verhältnis unverändert bleibt! Dadurch erhöht sich die Bandbreite des Detektors.



Es ist zu beachten, dass wir natürlich keine unendliche Bandbreite bekommen haben. Es stellte sich heraus, dass die von uns verwendete Näherung (Standard für Berechnungen) für diesen speziellen Fall nicht ganz genau ist. Und obwohl die Breite des Streifens wirklich viel größer wird, bleibt er doch endlich. Das Beste daran ist, dass dieser Ansatz das Rauschen bei niedrigen Frequenzen nicht beeinträchtigt, während die hohe Empfindlichkeit erhalten bleibt (und die Verwendung anderer Quanten-Gadgets zur Reduzierung des niederfrequenten Rauschens ermöglicht wird).

Wie hilft dies bei der Erkennung? Wir wenden uns erneut dem obigen Beispiel des GV-Signals zu. Jetzt können wir bei hohen Frequenzen das Rauschen komprimieren und das Signal wieder sehen!



Wir haben berechnet, dass für Detektoren der zukünftigen Generation, wie das Einstein-Teleskop , die Wahrscheinlichkeit, den Moment der Neutronensternfusion zu sehen, weniger als 9% pro Jahr beträgt (für eine bestimmte Art von Neutronenstern). Mit unserer Idee kann sich eine solche Wahrscheinlichkeit, abhängig von der Qualität der Optik, auf 75 und sogar 100% erhöhen. Die Hauptschwierigkeit in dieser Angelegenheit besteht darin, eine ausreichend gute Qualität der Optik zu erreichen, was ziemlich schwierig ist.

Mein Artikel und andere Tiere

Als ich aus den USA zurückkam, hatte ich alle wichtigen Ergebnisse und einen 40-seitigen Text in der Hand. Damit ging ich zum wissenschaftlichen Lehrer, denn es war Zeit zu entscheiden, bei welcher Zeitschrift der Artikel eingereicht werden sollte.

Der Wissenschaftler schaute sich das Ganze an und sagte - aber sollten wir es in der Wissenschaft versuchen?

Es ist wichtig zu verstehen, dass der ungesunde Markt für akademische Positionen hauptsächlich auf der Anzahl der Artikel in häufig zitierten Fachzeitschriften beruht. Wenn Sie die Chance auf eine Festanstellung in einem guten Institut haben möchten, veröffentlichen Sie in Science, Nature und Journals über. Und leider kein Entrinnen. Aber ich muss sagen, dass diese Zeitschriften eine ganz besondere Herangehensweise an den Text erfordern - es ist notwendig zu schreiben, damit der Nicht-Physiker den größten Teil des Textes leicht verstehen kann. Das heißt, perfekt geschliffene Texte und Bilder. In den nächsten drei Monaten habe ich den Text geschrieben und neu geschrieben. Er enthielt alle Informationen von den 40 Seiten des Entwurfs bis zu den erforderlichen vier Seiten.

Und jetzt, im Dezember 2018, wurde der Text verifiziert, er durchlief viele Mitautoren, und ich drücke auf den Senden-Button und fülle eine Million verschiedener Formulare auf der Website des Wissenschaftsmagazins aus. Zwei Wochen schmerzhafte Erwartung und ...

Vielen Dank, dass Sie Ihr Manuskript "Article Title" bei Science eingereicht haben. Da Ihr Manuskript während des ersten Überprüfungsprozesses keine ausreichend hohe Priorität erhalten hat, haben wir beschlossen, keine eingehende Überprüfung vorzunehmen. Die Gesamtbetrachtung ist, dass Ihr Aufsatz zwar für das Fachgebiet von großem Interesse sein wird, aber im Hinblick auf das allgemeine Interesse nicht zu den wettbewerbsfähigsten zählt.

Traurigkeit. Aber insgesamt wäre es überraschend, wenn es rollte. Nichts, dann kommt unser eigentliches Ziel - die auf Physik spezialisierte Naturphysik, die in letzter Zeit alles über Gravitationswellen liebt. Eine Woche, in der der Text an die Anforderungen angepasst wird, eine weitere Million Formulare, der "Senden" -Button, zwei Wochen Qual und ...

Vielen Dank, dass Sie Ihr Manuskript mit dem Titel "Article Title" eingereicht haben. Es tut uns leid, dass wir Ihnen nicht anbieten können, Ihren Artikel in unserer Zeitschrift zu veröffentlichen.
...
Wir sind der Meinung, dass dieses Manuskript in einer Zeitschrift, in der speziellere Forschungsergebnisse veröffentlicht werden und deren Vorzüge in vollem Umfang gewürdigt werden können, einen angemesseneren Absatz finden würde.

Das ist nervig. Vor allem, weil andere Zeitschriften einfach einen anderen Stil für den Text benötigen. Und das bedeutet, dass alle überprüften Vorschläge und drei Monate Arbeit wertlos sind.

Wir probieren Physical Review X aus - Sie können den Stil beibehalten (eine weitere Arbeitswoche):

Wir sind der Meinung, dass das Papier besser in einer Zeitschrift platziert werden kann, die auf die Entwicklung von Quantenoptiken oder Instrumenten für die GW-Detektion spezialisiert ist.

Inzwischen sind 4 Monate seit der ersten Einreichung vergangen. Es gibt nichts zu tun - Sie müssen den Ratschlägen folgen und nach einer passenderen Zeitschrift suchen. Zum Glück gibt dieselbe Nature viele gute Fachzeitschriften heraus: Nature Photonics, Nature Communications usw. Zur Zeit suche ich eine Standardzeit von der Einreichung bis zur Veröffentlichung in diesen Zeitschriften und sehe die Werte von 6-12 Monaten niedergeschlagen. Aber der Artikel ist schon im Umlauf, ich möchte ihn bald veröffentlichen und neue Projekte starten.

Die Wahl fällt auf Light: Science & Applications, ebenfalls eine Zeitschrift aus der Natur. Und der Bonus - das Manuskript muss nicht noch einmal gemacht werden, Sie können es direkt von einem früheren Versuch mit der Naturphysik übertragen.

Zehn Minuten, um das Formular auszufüllen: "Senden"! Eine Woche vergeht, die zweite, dritte, nichts ist von ihnen zu hören. Dies ist ein gutes Zeichen - es bedeutet, dass der Herausgeber des Magazins es nicht sofort abgelehnt, sondern zur Überprüfung gesendet hat! Fast drei Monate später kommen Bewertungen. Ein positiver, einer mehr oder weniger, einer ist negativ (der Rezensent hat überhaupt nichts verstanden):

Nach sorgfältiger Prüfung durch Fachkollegen möchte ich wichtige Überarbeitungen Ihres Manuskripts vorschlagen. Ihr Manuskript wird wahrscheinlich an die gegenwärtigen Gutachter und möglicherweise an einen oder mehrere zusätzliche, neue Gutachter zur weiteren Eingabe und Beratung gesendet, bevor eine endgültige Entscheidung über eine mögliche Veröffentlichung getroffen wird.

Zwei Wochen, um den Text zu bearbeiten und die Antworten zu schreiben, weitere drei Wochen warten, zwei neue Überprüfungen kommen, eine positive, eine erfordert das Hinzufügen von zwei Seiten aus ext. Materialien im Haupttext, im Wesentlichen den Artikel neu zu schreiben. Nach einem Monat der Auseinandersetzungen mit dem Rezensenten kommt der Text fast unverändert aus seinen zähen Händen (Sieg!) Und schließlich der begehrte Brief:

Ich freue mich sehr, Ihnen mitteilen zu können, dass Ihr oben genanntes Manuskript bis zum Eingang der Formulare und aller unten angeforderten geringfügigen Änderungen zur Veröffentlichung in Light: Science & Applications zugelassen wird.

Und dann beginnt die Veröffentlichungsroutine. Übersetzen von LaTeX nach Word (hallo 20. Jahrhundert), Änderungen, Abgleiche, Korrekturlesen, neue Änderungen, Korrekturlesen erneut. Zahlen Sie 3.5k für die Veröffentlichung (aber Open Access!). Schreiben Sie eine beliebte Rezension, machen Sie Illustrationen ... In der Regel noch anderthalb Monate.

Und jetzt, ein Jahr nach der Einreichung, fast zwei Jahre nach Arbeitsbeginn, erscheint der Artikel mit einer schönen URL, beginnend mit dem begehrten „nature.com“ (nun, sei es ein Tochtermagazin und in China veröffentlicht): https: // www. nature.com/articles/s41377-019-0230-2 . Sie können eine weitere Pressemitteilung auf EurekAlert lesen !

Die Frage bleibt: Warum ist das alles? Gibt es eine Zeile im Lebenslauf von all dem Durcheinander und Tonnen von Zeit, die für das Schreiben anstatt für echte Wissenschaft aufgewendet wurde? Egal wie absurd, aber auf dem modernen akademischen Arbeitsmarkt - es scheint, ja.

Fazit

Die moderne Wissenschaft ist mit dem Publish- oder Perish-Virus infiziert. Anstatt die Ergebnisse zu veröffentlichen, müssen Wissenschaftler ihre Arbeit verfeinern, indem sie die Ergebnisse im günstigsten Licht präsentieren, um sie an „coole“ Zeitschriften zu „verkaufen“. Dies alles geht zu Lasten der Objektivität der Präsentation der Ergebnisse, und während des Schreibens des Artikels habe ich dies vollständig erlebt. Manchmal scheint es, dass ein bisschen Ungenauigkeit keine Rolle spielt, aber es hilft, den Artikel nach oben zu treiben. Ich hoffe, ich habe es geschafft, diese Wünsche zu unterdrücken, und solche Ungenauigkeiten haben sich nicht in den Text eingeschlichen. Aber der Prozess selbst korrumpiert unglaublich.

Was noch schlimmer ist - wir kämpfen so sehr um den Einstieg in die Natur, die dann wildes Geld reißen, um Zugang zu dem Artikel zu erhalten. Aufgrund dessen sind arme Institutionen nicht in der Lage, die fortschrittlichsten Studien zu lesen (dank des Sci-Hub für die Beseitigung von Barrieren). Die Wissenschaft steht in vielen Bereichen still, und es ist überhaupt nicht klar, wie man aus diesem Gleichgewichtszustand herauskommt.

PS Sonstiges

1. In der Zwischenzeit verwenden sowohl LIGO- als auch Virgo-Detektoren quantengequetschtes Licht , um die Empfindlichkeit kontinuierlich zu erhöhen!
2. Währenddessen beobachtet LIGO erneut und entdeckt wöchentlich Kandidaten für HB .
3. Neue App zur Ereignisberichterstattung: Chirp ( Google Play & App Store )

Und zu guter Letzt: Wenn Sie sehen möchten, wie ich versuche, ein wissenschaftliches Twitter zu erstellen , begrüßen Sie: @hbar_universe .