Как я публиковал научную статью в Nature

- Librarian · 06/12/2020

Два года назад, листая старую тетрадь с вычислениями, я наткнулся на явную ошибку в одном уравнении. Находясь в совершенном ужасе — это уравнение-то было опубликовано в научном журнале месяцем ранее, — бросил все дела и стал срочно переделывать расчет. И ошибка никуда не делась.

Как баг превратился в фичу, о научном прогрессе и всех приключениях в попытках опубликоваться в Nature. Спойлер: почти получилось.

Как все началось

Начну несколько издалека. Я — физик-аспирант, занимаюсь квантовой оптикой в приложении к гравитационно-волновым детекторам в Университете Гамбурга. В один прекрасный день мой научный руководитель зовет меня и говорит: «так мол и так, мне тут предложили в одном журнале гостевую публикацию, а прямо сейчас результатов нет. Дедлайн через три недели. У тебя нет никаких идей?» Идеи были, и мы в срочном порядке за три недели посчитали и написали статью. Отдав ее на рецензию, и немного выдохнув после марафона, я взялся проверять, а что же мы такое все-таки насчитали.

Тут надо сделать отступление и сказать пару слов о физике. В природе часто возникает явление резонанса. Когда вы берете маятник, и воздействуете на него с силой определенной частоты (резонансной), он вдруг начинает колебаться с увеличенной амплитудой. Ну или классический пример: мост, разрушающийся, когда по нему в ногу идут солдаты.

Так вот, это резонансное усиление колебаний достигает максимума на одной частоте, а на частотах рядом с ней плавно спадает. Диапазон частот, в которых усиление велико называется шириной полосы. В гравитационно-волновых (ГВ) детекторах оптические резонаторы используются для усиления сигнала (и мощности лазера).

И вот в статье мы считали эффект от нелинейного кристалла внутри ГВ детектора на динамику зеркал. И мимоходом считали ширину полосы детектора (смысл уравнения не важен, просто для иллюстрации тут):

γ∼11+Rs(cosh⁡2rcos⁡2ϕcos⁡2ψ−sin⁡2ϕsin⁡2ψ)+Rs2

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

Я всматриваюсь в это уравнение, и меня пробивает холодный пот: при определенной комбинации параметров знаменатель обращается в нуль, а ширина полосы становится бесконечной.

Представьте: резонатор, который усиливает сигнал любой частоты! Мечта! Но скорее всего ошибка, и это совсем никуда не годится — статья-то уже в печати. Я начинаю искать эту ошибку, пошагово проверяя выкладки, и не нахожу. Пишу соавтору, он подтверждает, что вроде как так и получается, но абсолютная загадка — как и почему. А надо отметить, что детектор с бесконечной шириной полосы — священный Грааль для ГВ детекторов. Дело в том, что резонаторы обладают одним неприятным свойством: они усиливают сигнал около резонанса, а вне резонанса (на больших частотах) значительно его подавляют.

Иллюстрация для сигнала от слияния нейтронных звезд: на высоких частотах (близко к моменту слияния) сигнал оказывается подавлен резонаторами, и малоразличим за шумом.

На высоких частотах сигналы потеряны в шумах. А сигналы там весьма интересные: например, нынешние детекторы не могут уловить сам момент слияния нейтронных звезд — он слишком высокой частоты и тонет в шумах. А после слияния вновь сформированная нейтронная звезда (или черная дыра) тоже может осциллировать, и в этом сигнале могут прятаться свидетельства об отклонении от ОТО или квантовой гравитации. И всем очень бы хотелось увидеть эти события.

Характерная кривая чувствительности ГВ детектора (чем меньше, тем лучше). На высоких чатостах кривая идет вверх: из-за ширины полосы резонаторов сигнал теряется в шуме.

Поиск широкополосного детектора растянулся на несколько десятилетий. Было опубликовано множество статей, которые впоследствии успешно опровергались. В последние годы появилось несколько хитроумных идей, которые, правда, требуют технологий далеко за пределами реализуемых сейчас. А тут такая удача — стандартный прием в оптике дает желаемый эффект. Или все же нет?

Я взял билеты на самолет и полетел в срочном порядке к соавтору в Калтех (благо виза в США была), разбираться. Полторы недели американского режима работы (с 9 утра до 10 вечера, без выходных — привет выгорание) и мы таки поняли, что же такое там случилось у меня в уравнении.

Лирическое отступление о стиле работы в разных странах

Научная работа в Германии (равно как и другая) подчинена простому правилу: в 6 вечера работа кончается. Только в исключительных случаях (сбор данных эксперимента, например), можно задержаться, или — о ужас — прийти в выходной. Научная работа в США (в топовых институтах, типа Калтеха) подчиняется еще более простому правилу: работа не кончается никогда. В бытность студентом я провел полгода в Калтехе на стажировках, и полный институт народа в 9 вечера воскресенья — обычное дело.

Увы, понедельник у них начинается в субботу не от хорошей жизни: иначе не выдержать в конкурентной борьбе за постоянные позиции. Наука делается там лучшая в мире, но и цена соответствующая. Личная жизнь? Вечеринки? Отдых с друзьями? Пардон, через пару лет, когда получу PhD.

В Европе по большей части такого нигде вы не встретите. Баланс работы и жизни + лучшая защищенность профессиональная и большая уверенность в работе после PhD. Хотя постоянную позицию получить еще сложнее (особенно иностранцу).

Немного о физике

В этой части я расскажу о том, откуда все же берется эффект. Для желающих прочитать продолжение истории публикации без нудных подробностей — с чистой совестью мотайте до следующей части.

В ГВ детекторе есть множество разнообразных шумов, с которыми ученые борются разными средствами (вот статья про это). Один из самых фундаментальных — квантовый шум.

Квантовый дробовой шум возникает из-за квантовой природы лазера: луч лазера состоит из фотонов, летящих с разной случайной задержкой между друг другом. Когда эти фотоны измеряются на фотодиодах, флуктуации потока фотонов приводят к флуктуациям тока и, как следствие, к шуму в сигнале, который мы наблюдаем.

Подробнее про другой квантовый шум: радиационного давления

Шум радиационного давления — вторая сторона квантовой природы света. Как известно из классического электромагнетизма еще со времен опытов Лебедева, предмет, на который светит свет, испытывает давление света. Это просто понять если рассмотреть фотон как частицу: каждая частица несет импульс, который и передается телу при ударе. То есть, когда лазер светит на подвижное зеркало, зеркало начинает смещаться под действием силы светового давления. А так как фотоны распределены случайным образом, иногда за данный интервал времени на зеркало прилетает больше фотонов, иногда — меньше, и эта сила светового давления оказывается тоже случайной. Итак: квантованность света приводит к случайной силе, действующей на зеркала в LIGО. Эта сила вызывает случайное смещение зеркал, которое и регистрируется на выходе из интерферометра как паразитный сигнал.

Как я публиковал научную статью в Nature
Пояснение про квантовые шумы. Случайное распределение числа фотонов производят случайную силу радиационного давления (слева). С другой стороны, случайное распределение фотонов во времени приводит к флуктуациям амплитуды на фотодетекторе (справа). Оба шума зависят от длины волны, мощности света и длины плеча. Шум радиационного давления тем меньше, чем больше масса зеркал. Credit: [1].

Шум радиационного давления тем сильнее, чем больше мощность света, падающего на зеркала (т.е. поток фотонов). Сигнал от ГВ тоже растет с ростом мощности света в детекторе. Дробовой шум в нормировке на сигнал при этом падает. В итоге получается, что можно увеличить чувствительность, ограниченную дробовым шумом, увеличив мощность света, но за это придется заплатить возрастающим шумом радиационного давления. И наоборот. Нет способа классическим способом подавить сразу оба квантовых шума. Придется использовать квантовые технологии. Я писал о методах борьбы с ними с помощью сжатого света в прошлой статье.

Есть два варианта, как усилить сигнал по отношению к шуму: можно использовать резонаторы с большей добротностью (усиливать сигнал и мощность света), а можно использовать сжатый свет.

Что такое сжатый свет

На Хабре есть замечательная статья про сжатый свет за авторством qbertych. Если вы не знаете, что такое сжатый свет, настоятельно рекомендую сперва прочитать его статью. Я же буду краток.

Если смотреть на свет как на волну, характерными параметрами будет не поток фотонов и задержка между ними, а амплитуда и фаза волны. Обычно говорят о фазовой и амплитудной квадратурах света.

$E = E_{0} \cos (ω_{0} t + ϕ) = E_{0} \cos ω_{0} t \cos ϕ - E_{0} \sin ω_{0} t \sin ϕ == E_{ф} \sin ω_{0} t + E_{а} \cos ω_{0} t$

E=E0cos⁡(ω0t+ϕ)=E0cos⁡ω0tcos⁡ϕ−E0sin⁡ω0tsin⁡ϕ==Eфsin⁡ω0t+Eаcos⁡ω0t

$E = E_0 \cos (\omega_0 t + \phi) = E_0 \cos \omega_0 t \cos \phi - E_0 \sin \omega_0 t \sin \phi = = E_{ф} \sin \omega_0 t + E_{а} \cos \omega_0 t$

Если интересующий нас сигнал заключен в фазе света, и он достаточно мал, то можно сделать приближение:

$E_{ф} = E_{0} \sin ϕ \approx E_{0} ϕ; E_{a} = E_{0} \cos ϕ \approx E_{0}$

Eф=E0sin⁡ϕ≈E0ϕ;Ea=E0cos⁡ϕ≈E0

$E_{ф} = E_0 \sin \phi \approx E_0 \phi; \quad E_{a} = E_0 \cos \phi \approx E_0$

Поэтому величину

$E_{ф}$

Eф

$E_{ф}$ называют фазовой квадратурой — в ней содержится информация о фазе.

Соответственно, дробовой шум является флуктуациями фазы света, а шум радиационного давления вызван флуктуациями амплитуды.

Неопределенность в фазе и неопределенность в амплитуде связаны соотношением Гейзенберга:

$Δ^{2} E_{ф} Δ^{2} E_{а} \leq \frac{1}{2}$

Δ2EфΔ2Eа≤12

$\Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{а} \leq \frac{1}{2}$

В обычном лазерном луче эти неопределенности равны. Однако, можно сжать неопределенность в фазе за счет увеличения неопределенности амплитуды — главное, чтобы их произведение удовлетворяло соотношению неопределенности. Такой свет называется сжатым:

$Δ^{2} E_{ф}^{s q z} = e^{- 2 r} Δ^{2} E_{ф}, Δ^{2} E_{a}^{s q z} = e^{2 r} Δ^{2} E_{a}$

Δ2Eфsqz=e−2rΔ2Eф,Δ2Easqz=e2rΔ2Ea

$\Delta^2 E_{ф}^{sqz} = e^{-2r}\Delta^2 E_{ф}, \Delta^2 E_{a}^{sqz} = e^{2r}\Delta^2 E_{a}$

$Δ^{2} E_{ф}^{s q z} Δ^{2} E_{a}^{s q z} = Δ^{2} E_{ф} Δ^{2} E_{a} \leq \frac{1}{2},$

Δ2EфsqzΔ2Easqz=Δ2EфΔ2Ea≤12,

$\Delta^2 E_{ф}^{sqz} \Delta^2 E_{a}^{sqz} = \Delta^2 E_{ф} \Delta^2 E_{a} \leq \frac{1}{2},$

где r-степень сжатия.

Вообще говоря, даже при отсутствии мощного луча всегда существуют вакуумные флуктуации. Их тоже можно сжать, чтобы получить сжатый вакуум: в среднем в нем количество фотонов почти равно нулю, но при этом флуктуации амплитуды или фазы оказываются подавлены.

Как я публиковал научную статью в Nature

Именно вакуумные флуктуации, входящие через сигнальный порт в детектор, являются источником квантового шума в LIGO. Поэтому если этот вакуум сжать в фазе, это снизит дробовой шум в детекторе.

Такой подход используется в детекторе GEO600 на протяжении последних 8 лет, снижая дробовой шум в четыре раза, а начиная с этого года внедрен и в LIGO, снижая дробовой шум в два раза (что в 8 раз увеличивает количество зарегистрированных событий).

Резонаторы уже используются, но, как я написал выше, чем больше они усиливают свет, тем ниже ширина полосы детектора. В идеале нужно увеличить ширину полосы детектора не жертвуя при этом чувствительностью на низких частотах. Сжатый свет используется в детекторах повсеместно, но он не позволяет увеличить ширину полосы — он увеличивает чувствительность на высоких частотах. Что хуже — сжатие уменьшает чувствительность на низких (см. тут). А в идеале нужно, чтобы низкие частоты оставались как минимум столь же чувствительными.

В нашей новой работе мы использовали резонаторы самого детектора, чтобы создать сжатие только на высоких частотах. Гравитационно-волновой детектор состоит из множества связанных резонаторов. Резонаторы в плечах усиливают мощность света и дополнительно усиливают сигнал внутри ширины полосы. Есть резонатор для дополнительно усиления мощности света (power recycling), а есть — отдельно для усиления сигнала (signal extraction). Мы сосредоточимся на последнем. Это резонатор сформирован двумя зеркалами: одно на выходе из интерферометра, а одно — переднее зеркало резонатора в плечах.

Характерная особенность настройки интерферометра — в норме на выходе из центрального делителя луча нет света (называется «темный порт»). Только вакуумные флуктуации существуют в сигнальном резонаторе. В итоге можно представить детектор как два связанных резонатора:

Такое представление полезно для расчета квантовых шумов. Обычно передние два зеркала заменяют одним эффективным зеркалом — и именно в этом моменте мы нашли любопытные свойства. Если рассматривать эти связанные резонаторы, можно получить неожиданный (для людей, привыкших к стандартному расчету — результат.

Связанные резонаторы, как и другие осцилляторы, обладают интересным свойством биений:

Если вы возбуждаете колебания в одном осцилляторе, энергия между ними будет передаваться циклически, и они станут колебаться попеременно. Если при этом к одному из осцилляторов добавить внешнюю силу, при определенном выборе фазы вся энергия будет передаваться второму осциллятору, а первый останется неподвижным! Именно это свойство мы и использовали в нашей работе.

Если вы настраиваете резонанс двух связанных резонаторов на картинке выше определенным образом, при подаче света (или вакуумных флуктуаций поля) в сигнальный резонатор вся энергия будет идти в плечевой резонатор, и амплитуда в сигнальном останется нулевой! Звучит странно, но за этот эффект нужно сказать спасибо интерференции: за счет связи между резонаторами амплитуда волн, уходящих из плечевого резонатора точно компенсирует амплитуду света внутри сигнального резонатора. И он оказывается по сути в антирезонансе.

Если вы меняете частоту поданного света, сигнальный резонатор оказывается все больше в резонансе, а плечевой — в антирезонансе.

А теперь главный трюк: если мы поместим в сигнальный резонатор нелинейный кристалл, который производит сжатый свет, то для малых частот он не будет производить сжатия (сигнальный резонатор-то в антирезонансе — поля там нет!).

Чем выше частота сигнала, тем больше сжатия будет возникать. Что характерно, подавление сигнала из-за ширины полосы резонаторов будет точно компенсироваться сжатием шума, так что соотношение сигнал-шум будет оставаться неизменным! Как итог — ширина полосы детектора увеличивается.

Надо заметить, что никакой бесконечной ширины полосы мы не получили, конечно. Оказалось, что приближение, которое мы использовали (стандартное для расчетов) не совсем точно для данного конкретного случая. И хотя ширина полосы действительно становится гораздо больше, она все остается конечной. Самое приятное, что такой подход не влияет на шумы на низких частотах, сохраняя высокую чувствительность (и позволяя использовать другие квантовые примочки для снижения низкочастотных шумов).

Как это помогает в детектировании? Обратимся снова к примеру ГВ сигнала выше. Теперь на высоких частотах мы можем сжать шум и снова увидеть сигнал!

Мы посчитали, что для детекторов будущего поколения, типа Einstein Telescope , вероятность увидеть момент слияния нейтронных звезд меньше 9% в год (для определенного типа нейтронных звезд). С использованием нашей идеи такая вероятность в зависимости от качества оптики может возрасти до 75 и даже 100%. Главная сложность в этом деле — добиться достаточно хорошего качества оптики, что довольно непросто.

Моя статья и другие животные

К моменту возвращения из США у меня на руках были все основные результаты и текст на 40 страниц. С этим я пошел к научруку, ибо настало время решать, в какой журнал подавать статью.

Научрук посмотрел на это все дело, и говорит — а не попробовать ли нам в Science?

Тут важно понимать, что нездоровый рынок академических позиций в основном базируется на количестве статей в высокоцитируемых журналах. Хочешь иметь шансы на постоянную позицию в хорошем институте — публикуйся в Science, Nature и журналах около. И никуда от этого не деться, увы. А надо сказать, что эти журналы требуют очень особенного подхода к тексту — писать надо так, чтобы и не-физик мог без проблем понять большую часть текста. То есть, идеально отполированный текст и картинки. Следующие три месяца я писал и переписывал текст, вмещая всю информацию с 40 страниц драфта на требуемые на четыре страницы.

И вот декабрь 2018, текст выверен, прошел по много раз через соавторов, и я жму кнопку «submit», заполнив миллион разных форм на сайте журнала Science. Две недели мучительного ожидания и…

Thank you for submitting your manuscript «Название статьи» to Science. Because your manuscript was not given a sufficiently high priority rating during the initial screening process, we have decided not to proceed to in-depth review. The overall view is that while your paper will be of great interest to the field it is not one of the most competitive in terms of general interest.

Печаль. Но в целом было бы удивительно, если бы прокатило. Ничего, дальше идет наша настоящая цель — Nature Physics, которая специализируется на физике, и в последнее время любит всякое про гравитационные волны. Неделя переделки текста под их требования, еще один миллион форм, кнопка «Submit», две недели мучений, и…

Thank you for submitting your manuscript entitled «Название статьи».… we are sorry to say that we are unable to offer to publish your paper in our journal.
…
We feel that this manuscript would find a more appropriate outlet in a journal that publishes more specialised research, where its merits can be fully appreciated.

Это досадно. Особенно потому что другие журналы попроще требуют другого стиля для текста. А это значит, что все выверенные предложения и три месяца работы — насмарку.

Пробуем Physical Review X — в нем стиль можно оставить (еще неделя работы):

We feel that the paper will be better placed in a journal specialized in quantum optics or instrument development for GW detection.

Между тем прошло уже 4 месяца с первой подачи. Делать нечего — надо последовать совету, и искать более подходящий журнал. Благо, тот же Nature издает много хороших тематических журналов: Nature Photonics, Nature Communications и др. В этот момент я ищу стандартное время от подачи до публикации в этих журналах, и удрученно вижу значения в 6-12 месяцев. А статья уже поперек горла стоит, хочется скорее ее опубликовать и заняться новыми проектами.

Выбор падает на Light: Science & Applications, тоже журнал от Nature. И бонус — манускрипт не надо переделывать, можно напрямую перенести из прошлой попытки с Nature Physics.

Десять минут на заполнение формы, «Submit»! Проходит неделя, вторая, третья, от них ничего не слышно. Это хороший знак — значит, редактор журнала не отклонил ее сразу, а послал на рецензию! Почти три месяца спустя приходят рецензии. Одна положительная, одна более или менее, одна — отрицательная (рецензент совсем ничего не понял):

After careful peer review, I would like to suggest major revisions to your manuscript. Your manuscript will likely be sent to the present reviewers and possibly to one or more additional, new reviewer(s) for further input and advice before any final decision on possible publication is made.

Две недели на правку текста и написание ответов, еще три недели ожидания, приходят две новые рецензии, одна положительная, одна требует добавить две страницы из доп. материалов в главный текст, по сути переписав статью. Месяц споров с рецензентом, текст выходит из его цепких рук почти неизменным (победа!) и наконец заветное письмо:

I am very pleased to inform you that pending receipt of the forms and any minor revisions requested below, your above mentioned manuscript will be accepted for publication in Light: Science & Applications.

А дальше начинается рутина публикации. Перевести из LaTeX в Word (привет 20 век), правки, сверки, вычитка, новые правки, снова вычитка. Заплатить 3.5к за публикацию (зато открытый доступ!). Написать популярный обзор, сделать иллюстрации… В общем, еще полтора месяца мытарств.

И вот, год спустя подачи, почти два года спустя начала работы, статья выходит с красивым url, начинающимся с заветного «nature.com» (ну и пусть, что это дочерний журнал, и издается в Китае): https://www.nature.com/articles/s41377-019-0230-2 . Можно почитать еще пресс-релиз на EurekAlert!

Остается вопрос: а ради чего это все?.. Стóит ли строчка в CV всей этой кутерьмы и тонны потраченного времени на чистописание вместо настоящей науки? Как ни абсурдно, но на современном рынке академического труда — кажется, да.

Заключение

Современная наука заражена вирусом «publish or perish». Вместо публикации результатов ученые вынуждены изощряться, представляя результаты в наиболее выгодном свете, чтобы «продать» их в «крутые» журналы. Это все идет в ущерб объективности представления результатов, и в процессе написания статьи я прочувствовал это в полной мере. Иногда кажется, что маленькая неточность не сыграет никакой роли, зато поможет пропихнуть статью повыше. Надеюсь, мне удалось подавить эти желания, и такие неточности в текст не пролезли. Но сам процесс развращает неимоверно.

Что хуже — мы так боремся за попадание в Nature, которые потом дерут бешеные деньги за предоставление доступа к статье. Из-за них небогатые институты лишены возможности читать самые прогрессивные исследования (спасибо Sci-hub за устранение преград). Наука стоит на месте во многих областях, и совершенно не видно, как из этого состояния равновесия выползти.

P.S. Разное

А тем временем оба детектора LIGO и детектор Virgo используют квантовый сжатый свет для увеличения чувствительности в постоянном режиме!
LIGO тем временем снова наблюдает, детектируя кандидатов на ГВ еженедельно.
Новое приложение с оповещениями о регистрации событий: Chirp (Google Play & App Store)

original «Как я публиковал научную статью в Nature»