Die 15 besten Physik-Tools für Linux-Systeme zum Physikunterricht

Jedes Teilchen des Universums gehorcht den Regeln der Physik. Aus diesem Grund wird die Physik als der grundlegendste Zweig der Wissenschaft bezeichnet. Wenn die Physik als Theorie betrachtet wird, dann ist jeder andere Wissenschaftszweig ihre Anwendung. Wenn wir unser Universum und vor allem uns selbst verstehen wollen, müssen wir Physik lernen. Die Kenntnisse der Physik sind sehr praktisch. Wenn wir also die Physik von innen heraus verstehen wollen, müssen wir sie entdecken, indem wir mit aufgezeichneten Daten experimentieren und sie analysieren. Und das ist der Moment, in dem wir einige Computerprogramme verwenden müssen. Es gibt viele Open-Source-Physik-Tools, die im Internet verfügbar sind. Fast alle von ihnen sind mit Linux kompatibel. Wenn Sie also nach den besten Physik-Tools für Linux suchen, sind Sie hier genau richtig.

Beste Physik-Tools für Linux

Es gibt verschiedene Arten von Anwendungen von Linux-Physiksoftware im Studium und in der Forschung der theoretischen und angewandten Physik. Daher ist es sehr schwierig, eine einzelne Software als die beste zu bezeichnen. Hier haben wir eine Sammlung der 15 besten Physik-Tools für Linux zusammengestellt.

Einige von ihnen sind für die Analyse von Daten, einige für numerische Anwendungen, einige für die Simulation, und einige helfen Ihnen sogar bei der Programmierung der Lösung verschiedener physikalischer Probleme. Wir sind sicher, dass Sie unabhängig von Ihren Anforderungen diese kuratierte Sammlung von Linux-Physiksoftware lieben werden.

1. ROOT

Entwickelt wird es von der weltberühmten Forschungseinrichtung CERN. Es handelt sich um eine Programmierbibliothek, die nach der objektorientierten Methode arbeitet. Es wird zur Lösung vieler Probleme der Hochenergiephysik verwendet. ROOT wurde zunächst für die Analyse von Daten der Teilchenphysik entwickelt. Aber nach dem schrittweisen Entwicklungsprozess wird es jetzt zur Lösung einiger astronomischer Probleme und zum Data Mining verwendet.

Hauptfunktionen von ROOT

• Er stellt Histogramme und Grafiken bereit, um verschiedene Funktionen zu visualisieren.
• ROOT kann verschiedene geometrische 2D- und 3D-Formen rendern, um Daten zu visualisieren.
• Regressionsanalyse oder Kurvenanpassungs- und Funktionsminimierungstool.
• Vier-Vektoren-Rechensystem zur Verwendung in der Hochenergiephysik.
• Erweiterte neuronale Netzwerkoption für multivariate Datenanalyse.
• Benutzer können das Distributed-Computing-Feature für die Möglichkeit der parallelen Datenanalyse nutzen.
• Integrierte Python- und Ruby-Programmierschnittstelle in zwei Richtungen.

2. OpenFOAM

OpenFOAM ist ein sehr beliebtes Physik-Tool für Linux. Es ist eine C++ Bibliothek und Simulationsmaschine. Partielle Differentialgleichungen können problemlos gelöst werden. Es verfügt über zahlreiche integrierte C++-Klassen für Finite-Volumen-, Finite-Elemente- und Lagrange-Partikelverfolgung. Es verwendet den Code der obersten Ebene, der Ihnen die direkte Darstellung der zu lösenden Gleichung gibt.

Hauptmerkmale von OpenFOAM

• Es verfügt über integrierte Lösungsprogramme wie Verbrennung, Wärmeübertragung, Elektromagnetik, Festkörperdynamik usw.
• Es hat die Möglichkeit, vorinstallierte Programme anzupassen und sogar neue Programme zu erstellen.
• Die integrierte C++-GUI namens FoamX kann zur Verwaltung von Falldateien verwendet werden.
• Unterstützung für verschiedene Arten der Modellierung, einschließlich Lagrange-Modellierung, thermophysikalische Modellierung, Mehrphasenmodellierung usw.
• Dieses Tool kann Meshes generieren und sie entsprechend konvertieren oder manipulieren.
• OpenFOAM hat eine große Auswahl an Bibliotheken, die Sie sofort verwenden können.

3. McStas

Es ist eine Neutronen-Ray-Trace-Simulationssoftware für Linux. Dieses Open-Source-Tool wird in verschiedenen Experimenten zur Neutronenstreuung verwendet. Dieses Tool unterstützt Hochsprache und ist daher sehr einfach zu bedienen. Es hat einen eingebauten Compiler, der Ihre Anweisungen in die ANSI-C-Sprache übersetzt.

Hauptmerkmale von McStas

• Es läuft schnell und reibungslos auf jedem Gerätetyp.
• McStas unterstützt dreiachsige Funktionen und Time-of-Flight-Instrumente.
• Es verfügt über eine riesige Bibliothek von Komponenten, einschließlich stationärer und gepulster Quellen, Monochromatoren/Analysatoren, Führungen, Kollimatoren usw. für die Neutronenstreuung.
• Erzeugt leicht lesbare Histogramme in verschiedenen Formaten.

4. Krake

Octopus ist ein sehr beliebtes Physik-Tool für Linux. Es wird speziell für die Simulationen der Elektron-Ionen-Dynamik verwendet. Die dafür verwendeten elektromagnetischen Felder sind völlig zeitabhängig. Mit diesem Tool können viele statische Eigenschaften erhalten werden. Es kann auch die grafischen Verarbeitungseinheiten (GPUs) eines Computers über OpenCL und CUDA verwenden.

Hauptfunktionen von Octopus

• Es funktioniert im 1D-, 2D- und 3D-Modus.
• Es unterstützt periodische Randbedingungen in 1, 2 oder 3 Richtungen.
• Octopus unterstützt verschiedene Arten von linearen und nichtlinearen Antworten, einschließlich durch Zeitausbreitung, Marc Casidas Formulierung, Sterheimer-Formalismus für lineare Antworten usw.
• Dieses Tool wird sowohl mit einfacher als auch mit doppelter Genauigkeit ausgeführt.

5. Elmer

Dies ist ein kostenloses Simulationstool, das im Bereich der Physik verwendet wird. Es wurde von einer finnischen Organisation erstellt. Elmer wird zur Simulation der Mechanik von Fluiden, der Mechanik von Festkörperstrukturen, des Wärmetransports usw. verwendet. Es verfügt über eine moderne GUI, die nach Bedarf programmiert werden kann.

Hauptmerkmale von Elmer

• Dieses Softwarepaket enthält eine riesige Sammlung von Problemlösern für verschiedene physikalische Probleme.
• Es verfügt über eine große Sammlung moderner numerischer Methoden.
• Es hat Zeitintegrationsschemata für die Gleichungen erster und zweiter Ordnung.
• Elmer stellt Lösungsmethoden für Eigenwertprobleme vor.
• Dieses Tool bietet BEM-Löser ohne Multipolbeschleunigung.

6. Geant4

Geant4 steht ursprünglich für GEometry AND Tracking. Diese Linux-Physiksoftware dient zur Simulation des Durchgangs von Teilchen durch Materie. CERN half bei der Entwicklung dieser Softwareserie. Es implementiert objektorientierte Programmierung, um die Probleme der Physik zu lösen. Abgesehen von der theoretischen Physik wird dieses Werkzeug hauptsächlich in der Medizin- und Weltraumwissenschaft eingesetzt.

Hauptmerkmale von Geant4

• Es hat die Möglichkeit, die Objektgeometrie gut zu handhaben.
• Die Reaktion des Detektors wird aufgezeichnet, wenn die Partikel ihn passieren.
• Es gibt sogar annäherungsweise an, wie ein echter Detektor in solchen Fällen reagieren würde.
• Es nutzt die GPU-Leistung des Computers für die Datenvisualisierung mit OpenGL.
• Geant4 hat einen leistungsstarken Zufallszahlengenerator für verschiedene Zwecke.

7. CP2K

Es ist ein kostenloses und Open-Source-Festkörperphysik-Tool für Linux. Es ist sogar beliebt für die Forschung auf dem Gebiet der Chemie und Biologie. Es kann komplexe Simulationen der verschiedenen Sachverhalte durchführen. Dieses Tool kann reine ebene Wellen- oder Gaußsche Berechnungen ausführen. CP2K ist ein Ab-initio-Simulator für Molekulardynamik.

Hauptmerkmale von CP2K

• Die lineare Skalierung molekularer Systeme verwendet eine Wellenmethode namens ALMO-SCF, die eine sehr praktische Methode ist.
• Es verfügt über integrierte Hybrid- und Doppel-Hybrid-XC-Funktionen. Es kann sogar zusätzliche XC-Funktionalitäten über die LibXC-Bibliothek laden.
• Dieses Tool unterstützt HF-, MP2- und DFT-Kräfte und -Energien zur Lösung komplexer Probleme.

8. Schritt

„Step“ ist eine interaktive Simulator-basierte Physik-Software für Linux. Es wird Ihnen helfen, die Essenz der Physik zu spüren. In diesem Programm können Sie eine Beispielszene mit verschiedenen Objekten erstellen. Dann können Sie die Auswirkungen verschiedener Kräfte wie Schwerkraft oder Federkraft auf diese Objekte simulieren. Sie können sogar Änderungen in Echtzeit vornehmen, während die Effekte simuliert werden.

Hauptmerkmale von Step

• Unterstützung für zweidimensionale Simulationen mechanischer Phänomene.
• Verschiedene Arten von Kraftgeneratoren, einschließlich Schwerkraft, Federkraft, Partikel und Coulomb-Kräfte.
• Er verfügt über eine fortschrittliche Kollisionserkennungsfunktion, die direkt in den Simulator integriert ist.
• Step kann automatisch zwischen Einheiten umrechnen und Ausdrucksberechnungen durchführen.
• Es unterstützt das Lösen von Gleichungen bis zur 8. Ordnung, ob explizit oder implizit.
• Dieses Tool kann Ergebnisse über eine Grafik, ein Messgerät oder einen Tracer visualisieren.

9. PYTHIA

Es ist ein Open-Source-Physiktool für Linux-basierte Computer. PYTHIA wird verwendet, um einige hochenergetische Ereignisse zu Forschungszwecken zu erstellen. Es verfügt über eine integrierte Bibliothek mit Theorien und Modellen für verschiedene Aspekte der Physik. Es kann die experimentellen Konsequenzen theoretischer Modelle simulieren. Es kann auch für die Entwicklung von Suchstrategien und die Interpretation experimenteller Daten verwendet werden.

Hauptmerkmale von PYTHIA

• Es kann verschiedene Phänomene simulieren, darunter Fragmentierung, Multiparton-Interaktionen, Parton-Verteilungen usw.
• Obwohl viele Formeln verwendet werden, basiert es größtenteils auf Originalforschung.
• Dieses Tool unterstützt auch Computerprogramme von Drittanbietern über integrierte Schnittstellen.
• Es kann Elementarteilchen verwenden, um die hochenergetischen Kollisionen untereinander zu zeigen.

10. ASL – Erweiterte Simulationsbibliothek

Dieses Open-Source-Physiktool ist eine Multiphysik-Simulationsplattform. Es ist auch in der Lage, Differentialgleichungen zu berechnen, insbesondere komplexe PDEs. Obwohl die Rechenmaschine dieser Linux-Physiksoftware in OpenCL geschrieben ist, müssen Benutzer keine Vorkenntnisse in OpenCL haben. Da es gut unter einigen C++-Klassen versteckt ist, ermöglicht es jedem, direkt vom computergestützten Design zur Simulation zu wechseln, was den Vorverarbeitungsaufwand reduziert.

Hauptmerkmale von ASL

• Es kann verwendet werden, um virtuelle Wahrnehmung, bildgeführte Chirurgie, Weltraumforschungsdesigns usw. zu analysieren.
• ASL unterstützt verschiedene Arten von numerischen Methoden, darunter Finite-Differenzen-, Boltzmann-Verbund- und Immersed-Boundary-Methoden.
• Es kann Dateien in verschiedene Formate importieren und exportieren und unterstützt verschiedene gängige Computerprogramme.
• Es hat einen netzfreien, eingetauchten Grenzansatz, der den direkten Import von CAD-Dateien unterstützt.

11. FastJet

FastJet ist ein C++-basiertes Open-Source-Physiktool für Linux. Es bietet eine breite Palette von Tools zum Auffinden und Analysieren der Jets. Es verfügt über verschiedene Arten von Jet-Algorithmen, die direkt darin integriert sind. Abgesehen davon kann es über seinen Plugin-Mechanismus zusätzliche Jet-Algorithmen von Drittanbietern laden. Es bietet zusätzliche Tools zum Bestimmen der Strahlbereiche und zum Steuern des Pegels des Strahlgeräuschs.

Hauptmerkmale von FastJet

• FastJet hat einige eingebaute Jet-Algorithmen, einschließlich „Cambridge/Aachen Jet Algorithm“, „Longitudinally Invariant k_t Jet-Algorithmus“ und vieles mehr.
• Es verfügt über einen erweiterten Plugin-Manager zum Installieren von Algorithmen von Drittanbietern.
• Es hat MassDropTagger, CASubJetTagger usw. für Tagging-Zwecke.
• Unterstützung für Hintergrundschätzung und -subtraktion mit JetMedianBackgroundEstimator und GridMedianBackgroundEstimator.

12. Tracker

Dies ist ein Modellierungs- und Videoanalysetool, das mit der Programmiersprache Java erstellt wurde. Obwohl es für Physikstudenten entwickelt wurde, ist es bei Fachleuten sehr beliebt. Es funktioniert als Videobearbeitungssoftware, kann aber im Bereich der Physik effektiv eingesetzt werden. Denn in verschiedenen Experimenten müssen Sie die Videodateien analysieren, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.

Hauptfunktionen von Tracker

• Dieses Tool kann Rauschen in einem Video reduzieren und Spezialeffekte oder Verbesserungen hinzufügen.
• Benutzer können die roten, grünen und blauen Farben im Spektrum analysieren und Linienprofile erhalten.
• Wenn Sie mit hochenergetischen Partikeln arbeiten, helfen Ihnen die Ansichten mehrerer Referenzrahmen von Kollisionen und anderen Bewegungen dabei, die exakte Simulation zu erhalten.
• Es unterstützt verschiedene Formate, darunter mov, avi, FLV, mp4, WMV usw.
• Tracker kann Bilder von jedem Einzelbild des Videos aus jedem Blickwinkel kopieren und drucken, um sie in Labors und anderen Dokumenten zu verwenden.

13. CompHEP

CompHEP ist ein Hochenergie-Physik-Tool für Linux-Computer. Dieses Softwarepaket wird für automatische Berechnungen verwendet, die aus symbolischen und numerischen Programmen bestehen. Benutzer können neue physische Modelle mit einem Tool namens LanHEP erstellen. Außerdem können die von CompHEP berechneten Prozesse als neue externe Prozesse an PYTHIA und HERWIG angebunden werden.

Hauptmerkmale von CompHEP

• Dieses Programm kann Feynman-Diagramme erzeugen und anzeigen.
•  Es verfügt über einen integrierten symbolischen Taschenrechner, mit dem Ausdrücke basierend auf der quadratischen Matrix berechnet werden können.
• CompHEP kann optimierte C-Codes für weitere numerische Berechnungen generieren.
• Dieses Tool kann ausgehende oder eingehende Partikel identifizieren und den Prozess entsprechend auswählen.

14. LHAPDF

Es ist eine beliebte Linux-Physiksoftware zum Auswerten von PDFs aus diskretisierten Datendateien. Benutzer können auf diese Bibliothek zugreifen, indem sie Code in C++ schreiben. Es unterstützt in begrenztem Umfang auch Python- und Fortran-Sprachen. Die neueste Version, LHAPDF6, hat einige Einschränkungen des Vorgängers überwunden. Jetzt gibt es keine Beschränkungen für die Anzahl gleichzeitiger PDFs. Es unterstützt auch die Option, eine einzelne Datei statt eines ganzen Satzes zu laden.

Hauptmerkmale von LHAPDF

• Unterstützung für den Import von gezippten Datendateien.
• Es erlaubt Parton-Inhalte durch das PDG-ID-Code-Schema, was es zu einem effizienteren Prozess macht.
• Dieses Tool verwendet ein flexibles Metadatensystem, das viele grundlegende Metadatenfehler behebt.
• Sie können Ihre vorhandenen Codes in diesem Open-Source-Physiktool verwenden, das mit der vorherigen Version kompatibel ist.

15. Gerris Flow Solver

Dieses Tool ist ein Simulator, der zur Simulation des fließenden Zustands einer Materie verwendet wird. Es kann sogar beliebig komplexe Volumenkörpergrenzen automatisch verarbeiten. Diese Linux-Physiksoftware wird vom National Institute of Water and Atmospheric Research und dem Institut Jean le Rond d’Alembert unterstützt. Gerris verwendet eine fortschrittliche „Embedded Boundary“-Technik zur Lösung von Strömungsproblemen.

Hauptmerkmale von Gerris Flow Solver

• Die Funktion zur adaptiven Netzverfeinerung hilft dabei, die Auflösung dynamisch an die Merkmale der Strömung anzupassen.
• Es unterstützt eine unbegrenzte Anzahl von diffusen passiven Tracern.
• Es hat eine flexible objektorientierte Spezifikation von Randbedingungen.
• Gerris Flow Solver kann zeitabhängige inkompressible Euler-, Stokes- oder Navier-Stokes-Gleichungen mit variabler Dichte lösen.

Abschließende Gedanken

Ohne die Hilfe von Computerprogrammen wäre die moderne Physik nicht so weit gekommen. Die oben genannten Werkzeuge sind im Bereich der modernen Physik sehr nützlich. Diese Physik-Tools für Ihr Linux-System sind sehr gut in der Lage, mit Phänomenen der Hochenergiephysik umzugehen. Letztendlich ist es der Benutzer, der ein Tool optimal nutzen kann. Wählen Sie also Ihre gewünschte Software mit Bedacht aus, indem Sie verschiedene Optionen ausprobieren und testen. Wenn Sie ein bestimmtes bevorzugtes Open-Source-Physiktool haben, können Sie es unten kommentieren, um andere darüber zu informieren.