Comment j'ai publié un article scientifique dans Nature

Il y a deux ans, feuilletant un vieux cahier avec des calculs, je suis tombé sur une erreur claire dans une équation. En pleine horreur - cette équation a été publiée dans un journal scientifique un mois plus tôt - il a tout abandonné et a commencé à refaire d'urgence le calcul. Et l'erreur n'a pas disparu.



Comment le bug s'est transformé en fonctionnalité sur le progrès scientifique et toutes les aventures en essayant de publier dans Nature. Spoiler: presque travaillé.

Comment tout a commencé

Je vais commencer un peu de loin. Je suis un physicien diplômé qui est impliqué dans l'optique quantique appliquée aux détecteurs d'ondes gravitationnelles à l'Université de Hambourg. Un beau jour, mon superviseur m'appelle et me dit: «alors ils disent, ils m'ont offert une publication invitée dans un journal, mais pour l'instant il n'y a pas de résultats. Délai dans trois semaines. Avez-vous des idées? »Il y avait des idées, et nous avons compté de toute urgence et écrit un article en trois semaines. Après l'avoir donné pour examen, et expiré un peu après le marathon, j'ai entrepris de vérifier, mais qu'avons-nous tout de même compris.

Ici, nous devons faire une digression et dire quelques mots sur la physique. Dans la nature, le phénomène de résonance se produit souvent. Lorsque vous prenez un pendule et agissez dessus avec une force d'une certaine fréquence (résonance), il se met soudain à osciller avec une amplitude accrue. Eh bien, ou un exemple classique: un pont qui s'effondre lorsque les soldats marchent dessus.

Ainsi, cette amplification résonnante des oscillations atteint un maximum à une fréquence, et à des fréquences proches d'elle diminue en douceur. La plage de fréquences dans laquelle le gain est important est appelée largeur de bande. Dans les détecteurs à ondes gravitationnelles (GW), des résonateurs optiques sont utilisés pour amplifier le signal (et la puissance du laser).

Et dans l'article, nous avons examiné l'effet d'un cristal non linéaire à l'intérieur d'un détecteur GW sur la dynamique des miroirs. Et en passant, ils ont considéré la largeur de bande du détecteur (la signification de l'équation n'est pas importante, juste pour l'illustration ici):

$$

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

Je scrute cette équation, et une sueur froide me traverse: avec une certaine combinaison de paramètres, le dénominateur disparaît et la largeur de la bande devient infinie.

Imaginez: un résonateur qui amplifie un signal de n'importe quelle fréquence! Un rêve! Mais très probablement une erreur, et cela ne vaut absolument rien - l'article est déjà imprimé. Je commence à chercher cette erreur, en vérifiant pas à pas les calculs, et je ne la trouve pas. J'écris à un co-auteur, il confirme qu'il semble que cela se passe ainsi, mais le mystère absolu est de savoir comment et pourquoi. Et il faut noter qu'un détecteur à bande passante infinie est le Saint Graal pour les détecteurs GV. Le fait est que les résonateurs ont une propriété désagréable: ils amplifient le signal près de la résonance, et en dehors de la résonance (à hautes fréquences) ils le suppriment de manière significative.


Illustration pour le signal de la fusion des étoiles à neutrons: aux hautes fréquences (proches du moment de la fusion), le signal est supprimé par les résonateurs et se distingue à peine par le bruit.

Aux hautes fréquences, les signaux sont perdus dans le bruit. Et les signaux là-bas sont très intéressants: par exemple, les détecteurs de courant ne peuvent pas capturer le moment même de la fusion des étoiles à neutrons - il est trop élevé en fréquence et se noie dans le bruit. Et après la fusion, une étoile à neutrons (ou trou noir) nouvellement formée peut également osciller, et des preuves d'une déviation par rapport au GR ou à la gravité quantique peuvent être cachées dans ce signal. Et tout le monde aimerait voir ces événements.


La courbe de sensibilité caractéristique du détecteur GW (la plus petite est la meilleure). Aux chatosts élevés, la courbe monte: en raison de la bande passante des résonateurs, le signal est perdu dans le bruit.

La recherche d'un détecteur à large bande a duré plusieurs décennies. De nombreux articles ont été publiés qui ont par la suite été réfutés avec succès. Ces dernières années, plusieurs idées ingénieuses ont émergé qui nécessitent toutefois une technologie bien au-delà de ce qui est actuellement mis en œuvre. Et voici une telle chance - une technique standard en optique donne l'effet souhaité. Ou n'est-ce toujours pas le cas?

J'ai pris des billets d'avion et j'ai volé de toute urgence chez un co-auteur à Caltech (l'avantage était un visa pour les USA), pour comprendre. Une semaine et demie du mode de fonctionnement américain (de 9 h à 22 h, sept jours par semaine - épuisement professionnel) et nous avons encore réalisé ce qui s'est exactement passé dans mon équation.

Un peu de physique

Dans cette partie, je vais vous expliquer d’où vient l’effet. Pour ceux qui veulent lire la suite de l'histoire de la publication sans détails fastidieux - en toute conscience, passez à la partie suivante.

Dans le détecteur GV, il existe de nombreux bruits différents avec lesquels les scientifiques luttent par divers moyens ( voici un article à ce sujet ). L'un des plus fondamentaux est le bruit quantique. Le bruit quantique affecte la sensibilité aux basses fréquences et aux hautes fréquences de différentes manières. À de faibles fluctuations quantiques, les amplitudes laser poussent les miroirs et entraînent un mouvement aléatoire, ce qui interfère avec l'enregistrement du signal. Aux hautes fréquences, bruit de tir de détection (les photons arrivent à la photodiode avec un retard aléatoire). J'ai écrit plus en détail sur les bruits quantiques et les méthodes pour y faire face en utilisant la lumière comprimée dans un article précédent .

Il existe deux options pour amplifier le signal par rapport au bruit: vous pouvez utiliser des résonateurs avec un facteur Q plus élevé (amplifier le signal et la puissance lumineuse), ou vous pouvez utiliser de la lumière compressée.

Les résonateurs sont déjà utilisés, mais, comme je l'ai écrit ci-dessus, plus ils amplifient la lumière, plus la bande passante du détecteur est faible. Idéalement, vous devez augmenter la bande passante du détecteur sans sacrifier la sensibilité aux basses fréquences. La lumière compressée est utilisée partout dans les détecteurs, mais elle ne permet pas d'augmenter la bande passante - elle augmente la sensibilité aux hautes fréquences. Pire - la compression réduit la sensibilité à faible intensité (voir ici ). Et idéalement, vous voulez que les basses fréquences restent au moins aussi sensibles.

Dans nos nouveaux travaux, nous avons utilisé les résonateurs du détecteur lui-même pour créer une compression uniquement aux hautes fréquences. Le détecteur d'ondes gravitationnelles se compose de nombreux résonateurs couplés. Les résonateurs dans les bras amplifient la puissance de la lumière et amplifient encore le signal dans la bande passante. Il y a un résonateur pour amplifier en plus la puissance de la lumière (recyclage de puissance), et il y en a un autre pour amplifier le signal (extraction du signal). Nous nous concentrerons sur ce dernier. Ce résonateur est formé de deux miroirs: un à la sortie de l'interféromètre et un - le miroir avant du résonateur dans les épaules.

Une caractéristique du réglage de l'interféromètre est qu'il n'y a normalement pas de lumière à la sortie du séparateur de faisceau central (appelé «port sombre»). Seules des fluctuations de vide existent dans le résonateur de signal. En conséquence, nous pouvons imaginer le détecteur comme deux résonateurs couplés:


Une telle représentation est utile pour calculer le bruit quantique. Habituellement, les deux rétroviseurs avant sont remplacés par un miroir efficace - et c'est à ce moment que nous avons trouvé des propriétés intéressantes. Si nous considérons ces résonateurs couplés, nous pouvons obtenir un résultat inattendu (pour les personnes habituées au calcul standard - le résultat.

Les résonateurs couplés, comme les autres oscillateurs, ont une propriété de battement intéressante:


Si vous excitez des oscillations dans un oscillateur, l'énergie entre elles sera transmise de manière cyclique, et elles oscilleront alternativement. Si une force externe est ajoutée à l'un des oscillateurs, avec un certain choix de phase, toute l'énergie sera transférée au deuxième oscillateur, et le premier restera immobile! C'est cette propriété que nous avons utilisée dans notre travail.

Si vous ajustez la résonance de deux résonateurs couplés dans l'image ci-dessus d'une certaine manière, lorsque vous appliquez de la lumière (ou des fluctuations du champ de vide) au résonateur de signal, toute l'énergie ira dans la cavité de l'épaule et l'amplitude du signal restera nulle! Cela peut sembler étrange, mais des interférences doivent être dites pour cet effet: en raison du couplage entre les résonateurs, l'amplitude des ondes quittant la cavité de l'épaule compense exactement l'amplitude de la lumière à l'intérieur du résonateur de signal. Et il est essentiellement en anti résonance.

Si vous modifiez la fréquence de la lumière appliquée, le résonateur de signal est plus en résonance et l'épaule en antirésonance.



Et maintenant l'astuce principale: si nous mettons un cristal non linéaire dans le résonateur de signal qui produit de la lumière compressée , alors pour les basses fréquences, il ne produira pas de compression (le résonateur de signal est en antirésonance - il n'y a pas de champ là-bas!).



Plus la fréquence du signal est élevée, plus la compression se produit. En règle générale, la suppression du signal due à la bande passante du résonateur sera compensée avec précision par la compression du bruit, de sorte que le rapport signal / bruit restera inchangé! En conséquence, la bande passante du détecteur augmente.



Il convient de noter que nous n'avons pas eu de bande passante infinie, bien sûr. Il s'est avéré que l'approximation que nous avons utilisée (standard pour les calculs) n'est pas entièrement exacte pour ce cas particulier. Et bien que la largeur de la bande devienne vraiment beaucoup plus grande, elle reste finie. La meilleure partie est que cette approche n'affecte pas le bruit à basse fréquence, tout en conservant une sensibilité élevée (et en permettant l'utilisation d'autres gadgets quantiques pour réduire le bruit à basse fréquence).

Comment cela aide-t-il à la détection? Reprenons l'exemple du signal GV ci-dessus. Maintenant, à des fréquences élevées, nous pouvons compresser le bruit et revoir le signal!



Nous avons calculé que pour les détecteurs de génération future, tels que le télescope Einstein , la probabilité de voir le moment de la fusion des étoiles à neutrons est inférieure à 9% par an (pour un certain type d'étoile à neutrons). Selon notre idée, une telle probabilité, en fonction de la qualité de l'optique, peut augmenter jusqu'à 75 voire 100%. La principale difficulté dans ce domaine est d'obtenir une qualité optique suffisamment bonne, ce qui est assez difficile.

Mon article et d'autres animaux

Au moment de mon retour des États-Unis, j'avais en main tous les résultats principaux et un texte de 40 pages. Sur ce, je suis allé voir le professeur scientifique, car il était temps de décider à quel journal soumettre l'article.

Le scientifique a regardé tout cela et a dit - mais devrions-nous essayer en science?

Il est important de comprendre que le marché malsain des postes universitaires est principalement basé sur le nombre d'articles dans des revues très citées. Si vous voulez avoir une chance d'obtenir un poste permanent dans un bon institut - publiez dans Science, Nature et revues sur. Et aucune échappatoire à cela, hélas. Mais je dois dire que ces journaux nécessitent une approche très spéciale du texte - il est nécessaire d'écrire pour que le non-physicien puisse facilement comprendre la majeure partie du texte. Autrement dit, du texte et des images parfaitement polis. Pendant les trois prochains mois, j'ai écrit et réécrit le texte, contenant toutes les informations des 40 pages du projet aux quatre pages requises.

Et maintenant, en décembre 2018, le texte a été vérifié, il est passé par de nombreux co-auteurs à plusieurs reprises, et j'appuie sur le bouton Soumettre, remplissant un million de formulaires différents sur le site Web du magazine Science. Deux semaines d'attente douloureuse et ...

Merci d'avoir soumis votre manuscrit "Titre de l'article" à Science. Étant donné que votre manuscrit n'a pas reçu une cote de priorité suffisamment élevée lors du processus de sélection initiale, nous avons décidé de ne pas procéder à un examen approfondi. L'opinion générale est que, bien que votre article présente un grand intérêt pour le domaine, il n'est pas l'un des plus compétitifs en termes d'intérêt général.

Tristesse. Mais dans l'ensemble, il serait surprenant que ça roule. Rien, alors vient notre véritable objectif - la physique de la nature, qui se spécialise dans la physique, et aime récemment tout ce qui concerne les ondes gravitationnelles. Une semaine de refonte du texte selon leurs besoins, un autre million de formulaires, le bouton «Soumettre», deux semaines de tourments, et ...

Merci d'avoir soumis votre manuscrit intitulé «Titre de l'article». ... nous sommes désolés de dire que nous ne pouvons pas proposer de publier votre article dans notre journal.
...
Nous pensons que ce manuscrit trouverait un débouché plus approprié dans une revue qui publie des recherches plus spécialisées, où ses mérites peuvent être pleinement appréciés.

C'est ennuyeux. Surtout parce que d'autres magazines nécessitent plus simplement un style différent pour le texte. Et cela signifie que toutes les propositions vérifiées et trois mois de travail ne valent rien.

Nous essayons Physical Review X - vous pouvez y laisser le style (une autre semaine de travail):

Nous pensons que l'article sera mieux placé dans une revue spécialisée en optique quantique ou en développement d'instruments pour la détection de GW.

Pendant ce temps, 4 mois se sont écoulés depuis le premier dépôt. Il n'y a rien à faire - vous devez suivre les conseils et rechercher un magazine plus adapté. Heureusement, la même nature publie de nombreux bons magazines thématiques: Nature Photonics, Nature Communications, etc. En ce moment, je recherche un délai standard de la soumission à la publication dans ces magazines, et je vois avec déception les valeurs de 6 à 12 mois. Mais l'article est déjà de l'autre côté de la gorge, je veux le publier bientôt et démarrer de nouveaux projets.

Le choix se porte sur Light: Science & Applications, également un magazine de Nature. Et le bonus - le manuscrit n'a pas besoin d'être refait, vous pouvez le transférer directement d'une tentative précédente avec Nature Physics.

Dix minutes pour remplir le formulaire «Soumettre»! Une semaine passe, la deuxième, la troisième, on n'entend rien d'eux. C'est un bon signe - cela signifie que le rédacteur en chef du magazine ne l'a pas rejeté tout de suite, mais envoyé pour examen! Près de trois mois plus tard, des critiques arrivent. Un positif, un plus ou moins, un négatif (le critique n'a rien compris du tout):

Après un examen approfondi par les pairs, je voudrais suggérer des révisions majeures à votre manuscrit. Votre manuscrit sera probablement envoyé aux réviseurs actuels et éventuellement à un ou plusieurs nouveaux réviseurs supplémentaires pour une contribution et des conseils supplémentaires avant toute décision finale sur une éventuelle publication.

Deux semaines pour éditer le texte et écrire les réponses, encore trois semaines d'attente, deux nouvelles critiques arrivent, une positive, une nécessite d'ajouter deux pages d'ext. matériaux dans le texte principal, essentiellement la réécriture de l'article. Un mois de disputes avec le critique, le texte sort de ses mains tenaces presque inchangé (victoire!) Et enfin la lettre tant convoitée:

Je suis très heureux de vous informer qu'en attendant la réception des formulaires et de toute révision mineure demandée ci-dessous, votre manuscrit susmentionné sera accepté pour publication dans Light: Science & Applications.

Et puis la routine de publication commence. Traduire de LaTeX en Word (bonjour du 20e siècle), modifications, rapprochements, relecture, nouvelles modifications, relecture. Payez 3,5k pour la publication (mais en accès libre!). Rédiger une critique populaire, faire des illustrations ... En général, encore un mois et demi d'épreuves.

Et donc, un an après la soumission, près de deux ans après le début des travaux, l'article sort avec une belle url commençant par le très convoité «nature.com» (enfin, que ce soit un magazine subsidiaire et publié en Chine): https: // www. nature.com/articles/s41377-019-0230-2 . Vous pouvez lire un autre communiqué de presse sur EurekAlert!

La question demeure: pourquoi est-ce tout? Aussi absurde soit-il, mais sur le marché du travail universitaire moderne - il semble que oui.

Conclusion

La science moderne est infectée par le virus de la publication ou de la mort. Au lieu de publier les résultats, les scientifiques sont contraints d'affiner leurs travaux en présentant les résultats sous le jour le plus favorable afin de les «vendre» à des revues «cool». Tout cela se fait au détriment de l'objectivité de la présentation des résultats, et en train d'écrire l'article, je l'ai pleinement vécu. Parfois, il semble qu'un peu d'inexactitude ne jouera aucun rôle, mais cela aidera à pousser l'article plus haut. J'espère avoir réussi à supprimer ces désirs, et de telles inexactitudes ne se sont pas glissées dans le texte. Mais le processus lui-même corrompt incroyablement.

Pire encore: nous nous battons tellement pour entrer dans la nature, qui nous arrachent ensuite de l'argent pour donner accès à l'article. À cause d'eux, les établissements pauvres ne sont pas en mesure de lire les études les plus progressistes (grâce au Sci-hub pour avoir supprimé les barrières). La science reste immobile dans de nombreux domaines, et il n'est pas du tout clair comment sortir de cet état d'équilibre.

PS Divers

1. En attendant, les détecteurs LIGO et Virgo utilisent une lumière quantique comprimée pour augmenter la sensibilité en continu!
2. Le LIGO, quant à lui, observe à nouveau, détectant des candidats pour l'HB chaque semaine.
3. Nouvelle application de rapport d'événements: Chirp ( Google Play et App Store )

Et enfin: si vous voulez regarder mes tentatives pour comprendre comment mener un twitter scientifique, bienvenue: @hbar_universe .