Como publiquei um artigo científico na Nature

Dois anos atrás, folheando um caderno velho com cálculos, me deparei com um claro erro em uma equação. Por estar completamente horrorizado - essa equação foi publicada em uma revista científica um mês antes - ele desistiu de tudo e começou a refazer urgentemente o cálculo. E o erro não foi embora.



Como o bug se transformou em um recurso sobre o progresso científico e todas as aventuras ao tentar publicar na Nature. Spoiler: quase deu certo.

Como tudo começou

Vou começar um pouco de longe. Sou físico graduado, envolvido em óptica quântica aplicada a detectores de ondas gravitacionais na Universidade de Hamburgo. Um belo dia, meu supervisor me liga e diz: “assim eles dizem que me ofereceram uma publicação convidada em um periódico, mas no momento não há resultados. Prazo em três semanas. Você tem alguma idéia? ”Havia idéias, e contamos com urgência e escrevemos um artigo em três semanas. Depois de revisá-lo e expirar um pouco após a maratona, eu me comprometi a verificar, mas o que descobrimos da mesma forma.

Aqui devemos fazer uma digressão e dizer algumas palavras sobre física. Na natureza, o fenômeno da ressonância geralmente ocorre. Quando você pega um pêndulo e age sobre ele com uma força de uma certa frequência (ressonância), de repente ele começa a oscilar com uma amplitude aumentada. Bem, ou um exemplo clássico: uma ponte que cai quando soldados andam nela.

Portanto, essa amplificação ressonante de oscilações atinge o máximo em uma frequência e nas frequências próximas a ela diminui suavemente. A faixa de frequência na qual o ganho é grande é chamada de largura de banda. Nos detectores de ondas gravitacionais (GW), ressonadores ópticos são usados ​​para amplificar o sinal (e a potência do laser).

E no artigo, consideramos o efeito de um cristal não linear dentro de um detector GW na dinâmica dos espelhos. E, de passagem, consideraram a largura de banda do detector (o significado da equação não é importante, apenas para ilustração aqui):

$$

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

Olho para esta equação e um suor frio me atravessa: com uma certa combinação de parâmetros, o denominador desaparece e a largura da tira se torna infinita.

Imagine: um ressonador que amplifique um sinal de qualquer frequência! Um sonho! Mas provavelmente é um erro, e isso é absolutamente inútil - o artigo já está impresso. Começo a procurar esse erro, passo a passo, verificando os cálculos e não consigo encontrá-lo. Estou escrevendo para um co-autor, ele confirma que parece que é assim que acontece, mas o mistério absoluto é como e por que. E deve-se notar que um detector com uma largura de banda infinita é o santo graal para os detectores de GV. O fato é que os ressonadores têm uma propriedade desagradável: amplificam o sinal próximo à ressonância e, fora da ressonância (em altas frequências), suprimem-na significativamente.


Ilustração para o sinal da fusão de estrelas de nêutrons: em altas frequências (próximo ao momento da fusão), o sinal é suprimido pelos ressonadores e dificilmente distinguível pelo ruído.

Em altas frequências, os sinais são perdidos no ruído. E os sinais são muito interessantes: por exemplo, os detectores de corrente não conseguem capturar o exato momento da fusão estelar de nêutrons - é muito alta em frequência e se afoga em ruídos. E após a fusão, uma estrela de nêutrons recém-formada (ou buraco negro) também pode oscilar, e evidências de um desvio da GR ou da gravidade quântica podem ser ocultadas nesse sinal. E todo mundo adoraria ver esses eventos.


A curva de sensibilidade característica do detector GW (quanto menor, melhor). Em conversas altas, a curva aumenta: devido à largura de banda dos ressonadores, o sinal é perdido em ruído.

A busca por um detector de banda larga durou várias décadas. Muitos artigos foram publicados que foram posteriormente refutados com sucesso. Nos últimos anos, surgiram várias idéias engenhosas que, no entanto, exigem tecnologia muito além do que está sendo implementado atualmente. E aqui está essa sorte - uma técnica padrão em óptica fornece o efeito desejado. Ou ainda não é?

Peguei passagens de avião e voei urgentemente para um co-autor em Caltech (o benefício era um visto para os EUA), para entender. Uma semana e meia do modo de operação americano (das 9h às 22h, sete dias por semana - oi burnout) e ainda percebemos o que exatamente aconteceu na minha equação lá.

Um pouco sobre física

Nesta parte, falarei sobre de onde vem o efeito. Para quem quiser ler a continuação da história da publicação sem detalhes tediosos - com a consciência limpa, vá para a próxima parte.

No detector GV, existem muitos ruídos diferentes com os quais os cientistas lutam por vários meios ( aqui está um artigo sobre isso ). Um dos mais fundamentais é o ruído quântico. O ruído quântico afeta a sensibilidade em baixas e altas frequências de diferentes maneiras. Em baixas flutuações quânticas, as amplitudes do laser empurram os espelhos e levam a movimentos aleatórios, o que interfere no registro do sinal. Em altas frequências, o ruído de detecção do tiro (fótons chegam ao fotodiodo com um atraso aleatório). Escrevi com mais detalhes sobre ruídos quânticos e métodos para lidar com eles usando luz espremida em um artigo anterior .

Existem duas opções para amplificar o sinal com relação ao ruído: você pode usar ressonadores com um fator Q mais alto (amplificar o sinal e a potência da luz) ou pode usar luz compactada.

Os ressonadores já estão em uso, mas, como escrevi acima, quanto mais amplificam a luz, menor a largura de banda do detector. Idealmente, você precisa aumentar a largura de banda do detector sem sacrificar a sensibilidade em baixas frequências. A luz compactada é usada em todos os lugares nos detectores, mas não permite aumentar a largura de banda - aumenta a sensibilidade em altas frequências. Pior - a compressão reduz a sensibilidade em baixa (veja aqui ). E, idealmente, você deseja que as baixas frequências permaneçam pelo menos tão sensíveis.

Em nosso novo trabalho, usamos os ressonadores do próprio detector para criar compressão apenas em altas frequências. O detector de ondas gravitacionais consiste em muitos ressonadores acoplados. Os ressonadores nos braços amplificam o poder da luz e amplificam ainda mais o sinal dentro da largura de banda. Existe um ressonador para amplificar adicionalmente a potência da luz (reciclagem de energia) e outro para amplificar o sinal (extração de sinal). Vamos nos concentrar no último. Esse ressonador é formado por dois espelhos: um na saída do interferômetro e outro - o espelho frontal do ressonador nos ombros.

Uma característica da configuração do interferômetro é que normalmente não há luz na saída do divisor de feixe central (chamado de "porta escura"). Existem apenas flutuações de vácuo no ressonador de sinal. Como resultado, podemos imaginar o detector como dois ressonadores acoplados:


Essa representação é útil para calcular o ruído quântico. Normalmente, os dois espelhos dianteiros são substituídos por um espelho eficaz - e foi nesse momento que encontramos propriedades interessantes. Se considerarmos esses ressonadores acoplados, podemos obter um resultado inesperado (para pessoas acostumadas ao cálculo padrão - o resultado).

Os ressonadores acoplados, como outros osciladores, têm uma propriedade de batida interessante:


Se você excitar as oscilações em um oscilador, a energia entre eles será transmitida ciclicamente e oscilarão alternadamente. Se uma força externa for adicionada a um dos osciladores, com uma certa opção de fase, toda a energia será transferida para o segundo oscilador, e a primeira permanecerá imóvel! É essa propriedade que usamos em nosso trabalho.

Se você ajustar a ressonância de dois ressonadores acoplados na imagem acima de uma certa maneira, ao aplicar luz (ou flutuações no campo de vácuo) ao ressonador de sinal, toda a energia irá para a cavidade do ombro e a amplitude no sinal permanecerá zero! Parece estranho, mas deve-se dizer interferência para esse efeito: devido ao acoplamento entre os ressonadores, a amplitude das ondas que saem da cavidade do ombro compensa exatamente a amplitude da luz dentro do ressonador de sinal. E ele é essencialmente anti- ressonância.

Se você alterar a frequência da luz aplicada, o ressonador de sinal terá mais ressonância e o ombro, anti-ressonância.



E agora o truque principal: se colocarmos um cristal não linear no ressonador de sinal que produz luz compactada , então para as frequências baixas ele não produzirá compressão (o ressonador de sinal está na anti-ressonância - não há campo lá!).



Quanto maior a frequência do sinal, mais compressão ocorrerá. Normalmente, a supressão do sinal devido à largura de banda do ressonador será compensada com precisão pela compressão do ruído, para que a relação sinal / ruído permaneça inalterada! Como resultado, a largura de banda do detector aumenta.



Deve-se notar que não obtivemos largura de banda infinita, é claro. Descobriu-se que a aproximação que usamos (padrão para cálculos) não é totalmente exata para este caso em particular. E embora a largura da tira realmente se torne muito maior, ela ainda permanece finita. A melhor parte é que essa abordagem não afeta o ruído em baixas frequências, mantendo alta sensibilidade (e permitindo o uso de outros dispositivos quânticos para reduzir o ruído de baixa frequência).

Como isso ajuda na detecção? Vamos voltar ao exemplo do sinal GV acima. Agora, em altas frequências, podemos comprimir o ruído e ver o sinal novamente!



Calculamos que, para detectores de gerações futuras, como o Telescópio Einstein , a probabilidade de observar o momento da fusão da estrela de nêutrons é inferior a 9% ao ano (para um determinado tipo de estrela de nêutrons). Usando nossa idéia, essa probabilidade, dependendo da qualidade da óptica, pode aumentar para 75 e até 100%. A principal dificuldade nessa questão é obter uma qualidade ótica suficientemente boa, o que é bastante difícil.

Meu artigo e outros animais

Quando voltei dos Estados Unidos, eu tinha todos os principais resultados e um texto de 40 páginas em minhas mãos. Com isso, fui ao professor de ciências, pois estava na hora de decidir para qual periódico submeter o artigo.

O cientista olhou para tudo isso e disse - mas devemos tentar na ciência?

É importante entender que o mercado insalubre para cargos acadêmicos se baseia principalmente no número de artigos em revistas especializadas. Se você deseja ter uma chance de uma posição permanente em um bom instituto - publique em Science, Nature e em periódicos sobre. E não há como escapar disso, infelizmente. Mas devo dizer que essas revistas exigem uma abordagem muito especial ao texto - é necessário escrever para que o não-físico possa entender facilmente a maior parte do texto. Ou seja, texto e imagens perfeitamente polidos. Nos três meses seguintes, escrevi e reescrevi o texto, contendo todas as informações das 40 páginas do rascunho às quatro páginas necessárias.

E agora, em dezembro de 2018, o texto foi verificado, ele passou por muitos co-autores várias vezes e eu pressiono o botão enviar, preenchendo um milhão de formulários diferentes no site da revista Science. Duas semanas de expectativa dolorosa e ...

Obrigado por enviar seu manuscrito "Título do artigo" para a Science. Como o seu manuscrito não recebeu uma classificação de prioridade suficientemente alta durante o processo inicial de triagem, decidimos não proceder a uma revisão aprofundada. A visão geral é que, embora seu artigo seja de grande interesse para o campo, ele não é um dos mais competitivos em termos de interesse geral.

Tristeza. Mas, no geral, seria surpreendente se rolasse. Nada, então, vem nosso objetivo real - a Nature Physics, especializada em física, e recentemente ama tudo sobre as ondas gravitacionais. Uma semana refazendo o texto aos requisitos, mais um milhão de formulários, o botão "Enviar", duas semanas de tormento e ...

Obrigado por enviar seu manuscrito intitulado "Título do artigo". ... lamentamos dizer que não podemos oferecer a publicação de seu artigo em nossa revista.
...
Consideramos que este manuscrito encontraria uma saída mais apropriada em uma revista que publica pesquisas mais especializadas, onde seus méritos podem ser totalmente apreciados.

Isso é chato. Especialmente porque outras revistas simplesmente exigem um estilo diferente para o texto. E isso significa que todas as propostas verificadas e três meses de trabalho são inúteis.

Tentamos a Physical Review X - você pode deixar o estilo (mais uma semana de trabalho):

Consideramos que o artigo será melhor colocado em um periódico especializado em óptica quântica ou desenvolvimento de instrumentos para detecção de GW.

Enquanto isso, quatro meses se passaram desde o primeiro depósito. Não há nada a fazer - você precisa seguir os conselhos e procurar uma revista mais adequada. Felizmente, a mesma Nature publica muitas boas revistas de assuntos: Nature Photonics, Nature Communications, etc. Neste momento, estou procurando um tempo padrão, desde o envio até a publicação nessas revistas, e vejo desanimadamente os valores de 6 a 12 meses. Mas o artigo já está do outro lado da garganta, quero publicá-lo em breve e iniciar novos projetos.

A escolha recai sobre Light: Science & Applications, também uma revista da Nature. E o bônus - o manuscrito não precisa ser refeito, você pode transferi-lo diretamente de uma tentativa anterior com a Nature Physics.

Dez minutos para preencher o formulário, "Enviar"! Uma semana se passa, o segundo, terceiro, nada é ouvido deles. Este é um bom sinal - significa que o editor da revista não a rejeitou imediatamente, mas enviou para revisão! Quase três meses depois, as críticas chegam. Um positivo, um mais ou menos, um é negativo (o revisor não entendeu nada):

Após cuidadosa revisão por pares, gostaria de sugerir grandes revisões ao seu manuscrito. Provavelmente, seu manuscrito será enviado aos revisores atuais e, possivelmente, a um ou mais revisores novos adicionais, para mais informações e conselhos antes que seja tomada qualquer decisão final sobre a possível publicação.

Duas semanas para editar o texto e escrever as respostas, outras três semanas de espera, duas novas resenhas chegam, uma positiva, uma exige a adição de duas páginas do ext. materiais no texto principal, essencialmente reescrevendo o artigo. Um mês de disputas com o revisor, o texto sai de suas mãos tenazes quase inalteradas (vitória!) E, finalmente, a cobiçada carta:

Tenho o prazer de informar que, dependendo do recebimento dos formulários e de quaisquer revisões menores solicitadas abaixo, o manuscrito acima mencionado será aceito para publicação na Light: Science & Applications.

E então a rotina de publicação começa. Traduzir do LaTeX para o Word (olá século 20), edições, reconciliações, revisão, novas edições, revisão novamente. Pague 3,5k pela publicação (mas acesso aberto!). Faça uma crítica popular, faça ilustrações ... Em geral, mais um mês e meio de provações.

E assim, um ano após a submissão, quase dois anos após o início dos trabalhos, o artigo sai com um belo URL começando com o cobiçado “nature.com” (bem, seja uma revista subsidiária e publicada na China): https: // www. nature.com/articles/s41377-019-0230-2 . Você pode ler outro comunicado de imprensa no EurekAlert!

A questão permanece: por que isso é tudo? .. Existe uma linha no CV de toda essa bagunça e toneladas de tempo gasto escrevendo, em vez de ciência real? Não importa o quão absurdo, mas no mercado de trabalho acadêmico moderno - parece que sim.

Conclusão

A ciência moderna está infectada com o vírus publicar ou perecer. Em vez de publicar os resultados, os cientistas são forçados a refinar seu trabalho, apresentando os resultados da maneira mais favorável, a fim de "vendê-los" a periódicos "legais". Tudo isso prejudica a objetividade da apresentação dos resultados e, no processo de redação do artigo, experimentei isso completamente. Às vezes, parece que um pouco de imprecisão não desempenhará nenhum papel, mas ajudará a elevar o artigo. Espero ter conseguido suprimir esses desejos, e essas imprecisões não apareceram no texto. Mas o próprio processo corrompe incrivelmente.

O que é pior: estamos tão lutando por entrar na natureza, que depois arrancam dinheiro por fornecer acesso ao artigo. Por causa deles, instituições pobres não conseguem ler os estudos mais progressistas (graças ao Sci-hub por remover barreiras). A ciência ainda permanece em muitas áreas, e não está claro como sair desse estado de equilíbrio.

PS Diversos

1. Enquanto isso, os detectores LIGO e Virgo usam luz quântica espremida para aumentar a sensibilidade continuamente!
2. Enquanto isso, o LIGO está novamente observando, detectando candidatos ao HB semanalmente.
3. Novo aplicativo de relatórios de eventos: Chirp ( Google Play e App Store )

E finalmente: se você quiser assistir minhas tentativas de descobrir como conduzir um twitter científico, seja bem-vindo: @hbar_universe .