TY - THES A1 - Engelhardt, Max Angel Ronan T1 - Zwischen Simulation und Beweis - eine mathematische Analyse des Bienaymé-Galton-Watson-Prozesses und sein Einsatz innerhalb des Mathematikunterrichts T1 - Between simulation and proof - a mathematical analysis of the Bienaymé-Galton-Watson-process and its application in mathematics lessons N2 - Die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse können für die Untersuchung von speziellen und sich entwickelnden Populationen verwendet werden. Die Populationen umfassen Individuen, welche sich identisch, zufällig, selbstständig und unabhängig voneinander fortpflanzen und die jeweils nur eine Generation existieren. Die n-te Generation ergibt sich als zufällige Summe der Individuen der (n-1)-ten Generation. Die Relevanz dieser Prozesse begründet sich innerhalb der Historie und der inner- und außermathematischen Bedeutung. Die Geschichte der Bienaymé-Galton-Watson-Prozesse wird anhand der Entwicklung des Konzeptes bis heute dargestellt. Dabei werden die Wissenschaftler:innen verschiedener Disziplinen angeführt, die Erkenntnisse zu dem Themengebiet beigetragen und das Konzept in ihren Fachbereichen angeführt haben. Somit ergibt sich die außermathematische Signifikanz. Des Weiteren erhält man die innermathematische Bedeutsamkeit mittels des Konzeptes der Verzweigungsprozesse, welches auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse zurückzuführen ist. Die Verzweigungsprozesse stellen eines der aussagekräftigsten Modelle für die Beschreibung des Populationswachstums dar. Darüber hinaus besteht die derzeitige Wichtigkeit durch die Anwendungsmöglichkeit der Verzweigungsprozesse und der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Epidemiologie. Es werden die Ebola- und die Corona-Pandemie als Anwendungsfelder angeführt. Die Prozesse dienen als Entscheidungsstütze für die Politik und ermöglichen Aussagen über die Auswirkungen von Maßnahmen bezüglich der Pandemien. Neben den Prozessen werden ebenfalls der bedingte Erwartungswert bezüglich diskreter Zufallsvariablen, die wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion und die zufällige Summe eingeführt. Die Konzepte vereinfachen die Beschreibung der Prozesse und bilden somit die Grundlage der Betrachtungen. Außerdem werden die benötigten und weiterführenden Eigenschaften der grundlegenden Themengebiete und der Prozesse aufgeführt und bewiesen. Das Kapitel erreicht seinen Höhepunkt bei dem Beweis des Kritikalitätstheorems, wodurch eine Aussage über das Aussterben des Prozesses in verschiedenen Fällen und somit über die Aussterbewahrscheinlichkeit getätigt werden kann. Die Fälle werden anhand der zu erwartenden Anzahl an Nachkommen eines Individuums unterschieden. Es zeigt sich, dass ein Prozess bei einer zu erwartenden Anzahl kleiner gleich Eins mit Sicherheit ausstirbt und bei einer Anzahl größer als Eins, die Population nicht in jedem Fall aussterben muss. Danach werden einzelne Beispiele, wie der linear fractional case, die Population von Fibroblasten (Bindegewebszellen) von Mäusen und die Entstehungsfragestellung der Prozesse, angeführt. Diese werden mithilfe der erlangten Ergebnisse untersucht und einige ausgewählte zufällige Dynamiken werden im nachfolgenden Kapitel simuliert. Die Simulationen erfolgen durch ein in Python erstelltes Programm und werden mithilfe der Inversionsmethode realisiert. Die Simulationen stellen beispielhaft die Entwicklungen in den verschiedenen Kritikalitätsfällen der Prozesse dar. Zudem werden die Häufigkeiten der einzelnen Populationsgrößen in Form von Histogrammen angebracht. Dabei lässt sich der Unterschied zwischen den einzelnen Fällen bestätigen und es wird die Anwendungsmöglichkeit der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse bei komplexeren Problemen deutlich. Histogramme bekräftigen, dass die einzelnen Populationsgrößen nur endlich oft vorkommen. Diese Aussage wurde von Galton aufgeworfen und in der Extinktions-Explosions-Dichotomie verwendet. Die dargestellten Erkenntnisse über das Themengebiet und die Betrachtung des Konzeptes werden mit einer didaktischen Analyse abgeschlossen. Die Untersuchung beinhaltet die Berücksichtigung der Fundamentalen Ideen, der Fundamentalen Ideen der Stochastik und der Leitidee „Daten und Zufall“. Dabei ergibt sich, dass in Abhängigkeit der gewählten Perspektive die Anwendung der Bienaymé-Galton-Watson Prozesse innerhalb der Schule plausibel ist und von Vorteil für die Schüler:innen sein kann. Für die Behandlung wird exemplarisch der Rahmenlehrplan für Berlin und Brandenburg analysiert und mit dem Kernlehrplan Nordrhein-Westfalens verglichen. Die Konzeption des Lehrplans aus Berlin und Brandenburg lässt nicht den Schluss zu, dass die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse angewendet werden sollten. Es lässt sich feststellen, dass die zugrunde liegende Leitidee nicht vollumfänglich mit manchen Fundamentalen Ideen der Stochastik vereinbar ist. Somit würde eine Modifikation hinsichtlich einer stärkeren Orientierung des Lehrplans an den Fundamentalen Ideen die Anwendung der Prozesse ermöglichen. Die Aussage wird durch die Betrachtung und Übertragung eines nordrhein-westfälischen Unterrichtsentwurfes für stochastische Prozesse auf die Bienaymé-Galton-Watson Prozesse unterstützt. Darüber hinaus werden eine Concept Map und ein Vernetzungspentagraph nach von der Bank konzipiert um diesen Aspekt hervorzuheben. N2 - The Bienaymé-Galton-Watson processes can be used to study special and developing populations. These populations include individuals that reproduce identically, randomly, separately, independently of each other, and which exist only for one generation. The n-th generation is the random sum of the individuals of the (n-1)-th generation. The relevance of these processes is based on their history and their significance in mathematical and extra-mathematical contexts. The history of the Bienaymé-Galton-Watson processes is illustrated by the development of the concept to the present day. Various scientists from different disciplines who have contributed to the topic in their respective fields are listed. This illustrates moreover the significance in extra-mathematical contexts. Furthermore, the inner- mathematical magnitude is obtained by means of the superordinate concept of branching processes, which can be traced back to the Bienaymé-Galton-Watson processes. These branching processes are one of the most significant models for describing population growth. In addition, the current importance arises from the applicability of branching processes and the Bienaymé-Galton-Watson processes within epidemiology. The Ebola and Corona pandemics are mentioned as fields of application. The processes serve as a basis for political decision-making and enable statements made on the impact of pandemic measures. In addition to the processes, the conditional expectation value for discrete random variables, the probability generating function and the random sum are also introduced. These concepts simplify the description of the processes and thus form the basis of the considerations. Also, the required and further properties of the basic topics and processes are listed and demonstrated. The chapter reaches its climax with the proof of the criticality theorem, whereby a statement can be made about the extinction of the process in different cases and thus about the extinction probability. These cases are distinguished based on the expected number of offspring from the individuals. It turns out that a process with an expected number of less than one certainly becomes extinct. On the contrary, a process with a number greater than one does not necessarily has to die out. Individual examples are then given, such as the linear fractional case, the population of fibroblasts (connective tissue cells) of mice and the question of origin. These are investigated using the results obtained and some selected random dynamics are simulated in the following chapter. The simulations are carried out by a Python self-written program and are realized using the inversion method. These simulations exemplify the developments in the different criticality cases of the processes. Besides, the frequencies of the individual population sizes are displayed in the form of histograms. The difference between the individual cases can be confirmed and the analysis of the fibroblasts reveals the applicability of the Bienaymé-Galton-Watson processes to more complex problems. Histograms confirm that the individual population sizes occur only finitely often. This statement was raised by Galton and is used in the extinction-explosion dichotomy. The presented findings about the topic and the consideration of the concept are concluded with an analysis of didactic-background. This involves the fundamental ideas, the fundamental ideas of stochastics and the guiding idea of data and chance. Depending on the chosen perspective, the use of the Bienaymé-Galton-Watson processes within the school is plausible and may be beneficial for the students. For the treatment, the Rahmenlehrplan for Berlin and Brandenburg is analysed and compared with the core curriculum of Nord Rhine-Westphalia as an example. The design of the curriculum of Berlin and Brandenburg does not allow the conclusion of applying the Bienaymé-Galton-Watson processes. It can be seen that the underlying guiding idea is not fully compatible with some fundamental ideas of stochastics. Thus, a modification to the curriculum more oriented towards these fundamental ideas would allow the application of the processes. This statement is supported by the observation and transfer of a North Rhine-Westphalian teaching design for stochastic processes to the Bienaymé-Galton-Watson processes by means of chain letters. In addition, a concept map and a Vernetzungspentagraph by von der Bank are designed to highlight this aspect. KW - Bienaymé-Galton-Watson Prozess KW - Kritikalitätstheorem KW - Verzweigungsprozess KW - Populationen KW - linear fractional case KW - bedingter Erwartungswert KW - zufällige Summe KW - Simulation KW - wahrscheinlichkeitserzeugende Funktion KW - Historie der Verzweigungsprozesse KW - Instabilität des Prozesses KW - Aussterbewahrscheinlichkeit KW - Geometrische Reproduktionsverteilung KW - Fibroblasten KW - Entstehungsfragestellung KW - Fundamentale Ideen KW - Leitidee „Daten und Zufall“ KW - Rahmenlehrplan KW - Markov-Ketten KW - Corona KW - Bienaymé-Galton-Watson process KW - criticality theorem KW - branching process KW - populations KW - linear fractional case KW - conditional expectation value KW - random sum KW - simulation KW - probability generating function KW - history of branching processes KW - instability of the process KW - extinction probability KW - geometric reproduction distribution KW - fibroblasts KW - question of origin KW - fundamental ideas KW - guiding idea “Daten und Zufall” KW - Rahmenlehrplan KW - Markov chains KW - Corona Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524474 ER - TY - JOUR A1 - Saynisch-Wagner, Jan A1 - Bärenzung, Julien A1 - Hornschild, Aaron A1 - Irrgang, Christopher A1 - Thomas, Maik T1 - Tide-induced magnetic signals and their errors derived from CHAMP and Swarm satellite magnetometer observations JF - Earth, planets and space : EPS N2 - Satellite-measured tidal magnetic signals are of growing importance. These fields are mainly used to infer Earth's mantle conductivity, but also to derive changes in the oceanic heat content. We present a new Kalman filter-based method to derive tidal magnetic fields from satellite magnetometers: KALMAG. The method's advantage is that it allows to study a precisely estimated posterior error covariance matrix. We present the results of a simultaneous estimation of the magnetic signals of 8 major tides from 17 years of Swarm and CHAMP data. For the first time, robustly derived posterior error distributions are reported along with the reported tidal magnetic fields. The results are compared to other estimates that are either based on numerical forward models or on satellite inversions of the same data. For all comparisons, maximal differences and the corresponding globally averaged RMSE are reported. We found that the inter-product differences are comparable with the KALMAG-based errors only in a global mean sense. Here, all approaches give values of the same order, e.g., 0.09 nT-0.14 nT for M2. Locally, the KALMAG posterior errors are up to one order smaller than the inter-product differences, e.g., 0.12 nT vs. 0.96 nT for M2. KW - Tides KW - Electromagnetic induction KW - Error covariance KW - Satellite magnetometer observations Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1186/s40623-021-01557-3 SN - 1880-5981 VL - 73 IS - 1 PB - Springer CY - Heidelberg ER - TY - JOUR A1 - Cozzoni, Barbara A1 - Maibaum, Michael A1 - Hamm, Maximilian T1 - Thermal analysis and constraints for the MASCOT landing site selection on the asteroid Ryugu JF - Planetary and space science N2 - In June 2018, after 4 years of cruise, the Japanese space probe Hayabusa2 [1-Watanabe S. et al.: Hayabusa2 Mission Overview. (2017)] reached the Near-Earth Asteroid (162173) Ryugu. Hayabusa2 carried a small Lander named MASCOT (Mobile Asteroid Surface Scout) [2-Ho T. M. et al.: MASCOT-The Mobile Asteroid Surface Scout onboard the Hayabusa2 mission. (2017)], jointly developed by the German Aerospace Center (DLR) and the French Space Agency (CNES), to investigate Ryugu's surface structure, composition and physical properties including its thermal behaviour and magnetization in-situ. The Microgravity User Support Centre (DLR-MUSC) in Cologne was in charge of providing all thermal conditions and constraints necessary for the selection of the final landing site and for the final operations of the Lander MASCOT on the surface of the asteroid Ryugu. This article provides a comprehensive assessment of these thermal conditions and constraints, based on predictions performed with the Thermal Mathematical Model (TMM) of MASCOT using different asteroid surface thermal models, ephemeris data for approach as well as descent and hopping trajectories, the related operation sequences and scenarios and the possible environmental conditions driven by the Hayabusa2 spacecraft. A comparison with the real telemetry data confirms the analysis and provides further information about the asteroid characteristics. KW - MASCOT KW - Thermal mathematical model KW - Landing site selection KW - Small KW - spacecraft operations Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.pss.2021.105286 SN - 0032-0633 SN - 1873-5088 VL - 205 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Klein, Markus A1 - Rosenberger, Elke T1 - The tunneling effect for Schrödinger operators on a vector bundle JF - Analysis and mathematical physics N2 - In the semiclassical limit (h) over bar -> 0, we analyze a class of self-adjoint Schrodinger operators H-(h) over bar = (h) over bar L-2 + (h) over barW + V center dot id(E) acting on sections of a vector bundle E over an oriented Riemannian manifold M where L is a Laplace type operator, W is an endomorphism field and the potential energy V has non-degenerate minima at a finite number of points m(1),... m(r) is an element of M, called potential wells. Using quasimodes of WKB-type near m(j) for eigenfunctions associated with the low lying eigenvalues of H-(h) over bar, we analyze the tunneling effect, i.e. the splitting between low lying eigenvalues, which e.g. arises in certain symmetric configurations. Technically, we treat the coupling between different potential wells by an interaction matrix and we consider the case of a single minimal geodesic (with respect to the associated Agmon metric) connecting two potential wells and the case of a submanifold of minimal geodesics of dimension l + 1. This dimension l determines the polynomial prefactor for exponentially small eigenvalue splitting. KW - Laplace-type operator KW - Vector bundle KW - WKB-expansion KW - Quasimodes KW - Tunneling KW - Spectral gap KW - Complete asymptotics Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1007/s13324-021-00485-5 SN - 1664-2368 SN - 1664-235X VL - 11 IS - 2 PB - Springer International Publishing AG CY - Cham (ZG) ER - TY - JOUR A1 - De Oliveira Gomes, André A1 - Högele, Michael Anton T1 - The Kramers problem for SDEs driven by small, accelerated Lévy noise with exponentially light jumps JF - Stochastics and dynamics N2 - We establish Freidlin-Wentzell results for a nonlinear ordinary differential equation starting close to the stable state 0, say, subject to a perturbation by a stochastic integral which is driven by an epsilon-small and (1/epsilon)-accelerated Levy process with exponentially light jumps. For this purpose, we derive a large deviations principle for the stochastically perturbed system using the weak convergence approach developed by Budhiraja, Dupuis, Maroulas and collaborators in recent years. In the sequel, we solve the associated asymptotic first escape problem from the bounded neighborhood of 0 in the limit as epsilon -> 0 which is also known as the Kramers problem in the literature. KW - Freidlin-Wentzell theory KW - large deviations principle KW - accelerated small KW - noise Levy diffusions KW - first passage times KW - first exit location KW - strongly tempered stable Levy measure Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1142/S0219493721500192 SN - 0219-4937 SN - 1793-6799 VL - 21 IS - 04 PB - World Scientific CY - Singapore ER - TY - JOUR A1 - Matzka, Jürgen A1 - Stolle, Claudia A1 - Yamazaki, Yosuke A1 - Bronkalla, Oliver A1 - Morschhauser, Achim T1 - The geomagnetic Kp index and derived indices of geomagnetic activity JF - Space weather : the international journal of research and applications N2 - The geomagnetic Kp index is one of the most extensively used indices of geomagnetic activity, both for scientific and operational purposes. This article reviews the properties of the Kp index and provides a reference for users of the Kp index and associated data products as derived and distributed by the GFZ German Research Centre for Geosciences. The near real-time production of the nowcast Kp index is of particular interest for space weather services and here we describe and evaluate its current setup. Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1029/2020SW002641 SN - 1542-7390 VL - 19 IS - 5 PB - Wiley CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Bär, Christian T1 - The Faddeev-LeVerrier algorithm and the Pfaffian JF - Linear algebra and its applications N2 - We adapt the Faddeev-LeVerrier algorithm for the computation of characteristic polynomials to the computation of the Pfaffian of a skew-symmetric matrix. This yields a very simple, easy to implement and parallelize algorithm of computational cost O(n(beta+1)) where nis the size of the matrix and O(n(beta)) is the cost of multiplying n x n-matrices, beta is an element of [2, 2.37286). We compare its performance to that of other algorithms and show how it can be used to compute the Euler form of a Riemannian manifold using computer algebra. KW - Characteristic polynomial KW - Determinant KW - Pfaffian KW - Gauss-Bonnet-Chern KW - theorem Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.laa.2021.07.023 SN - 0024-3795 SN - 1873-1856 VL - 630 SP - 39 EP - 55 PB - Elsevier CY - New York ER - TY - JOUR A1 - Gottwald, Georg A. A1 - Reich, Sebastian T1 - Supervised learning from noisy observations BT - Combining machine-learning techniques with data assimilation JF - Physica : D, Nonlinear phenomena N2 - Data-driven prediction and physics-agnostic machine-learning methods have attracted increased interest in recent years achieving forecast horizons going well beyond those to be expected for chaotic dynamical systems. In a separate strand of research data-assimilation has been successfully used to optimally combine forecast models and their inherent uncertainty with incoming noisy observations. The key idea in our work here is to achieve increased forecast capabilities by judiciously combining machine-learning algorithms and data assimilation. We combine the physics-agnostic data -driven approach of random feature maps as a forecast model within an ensemble Kalman filter data assimilation procedure. The machine-learning model is learned sequentially by incorporating incoming noisy observations. We show that the obtained forecast model has remarkably good forecast skill while being computationally cheap once trained. Going beyond the task of forecasting, we show that our method can be used to generate reliable ensembles for probabilistic forecasting as well as to learn effective model closure in multi-scale systems. (C) 2021 Elsevier B.V. All rights reserved. KW - Data-driven modelling KW - Random feature maps KW - Data assimilation Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.physd.2021.132911 SN - 0167-2789 SN - 1872-8022 VL - 423 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Möhring, Jan T1 - Stochastic inversion for core field modeling using satellite data N2 - Magnetfeldmodellierung mit Kugelflächenfunktionen basiert auf der Inversion nach hunderten bis tausenden von Parametern. Dieses hochdimensionale Problem kann grundsätzlich als ein Optimierungsproblem formuliert werden, bei dem ein globales Minimum einer gewissen Zielfunktion berechnet werden soll. Um dieses Problem zu lösen, gibt es eine Reihe bekannter Ansätze, dazu zählen etwa gradientenbasierte Verfahren oder die Methode der kleinsten Quadrate und deren Varianten. Jede dieser Methoden hat verschiedene Vor- und Nachteile, beispielsweise bezüglich der Anwendbarkeit auf nicht-differenzierbare Funktionen oder der Laufzeit zugehöriger Algorithmen. In dieser Arbeit verfolgen wir das Ziel, einen Algorithmus zu finden, der schneller als die etablierten Verfahren ist und sich auch für nichtlineare Probleme anwenden lässt. Solche nichtlinearen Probleme treten beispielsweise bei der Abschätzung von Euler-Winkeln oder bei der Verwendung der robusteren L_1-Norm auf. Dazu untersuchen wir die Anwendbarkeit stochastischer Optimierungsverfahren aus der CMAES-Familie auf die Modellierung des geomagnetischen Feldes des Erdkerns. Es werden sowohl die Grundlagen der Kernfeldmodellierung und deren Parametrisierung anhand einiger Beispiele aus der Literatur besprochen, als auch die theoretischen Hintergründe der stochastischen Verfahren gegeben. Ein CMAES-Algorithmus wurde erfolgreich angewendet, um Daten der Swarm-Satellitenmission zu invertieren und daraus das Magnetfeldmodell EvoMag abzuleiten. EvoMag zeigt gute Übereinstimmung mit etablierten Modellen, sowie mit Observatoriumsdaten aus Niemegk. Wir thematisieren einige beobachtete Schwierigkeiten und präsentieren und diskutieren die Ergebnisse unserer Modellierung. N2 - Geomagnetic field modeling using spherical harmonics requires the inversion for hundreds to thousands of parameters. This large-scale problem can always be formulated as an optimization problem, where a global minimum of a certain cost function has to be calculated. A variety of approaches is known in order to solve this inverse problem, e.g. derivative-based methods or least-squares methods and their variants. Each of these methods has its own advantages and disadvantages, which affect for example the applicability to non-differentiable functions or the runtime of the corresponding algorithm. In this work, we pursue the goal to find an algorithm which is faster than the established methods and which is applicable to non-linear problems. Such non-linear problems occur for example when estimating Euler angles or when the more robust L_1 norm is applied. Therefore, we will investigate the usability of stochastic optimization methods from the CMAES family for modeling the geomagnetic field of Earth's core. On one hand, basics of core field modeling and their parameterization are discussed using some examples from the literature. On the other hand, the theoretical background of the stochastic methods are provided. A specific CMAES algorithm was successfully applied in order to invert data of the Swarm satellite mission and to derive the core field model EvoMag. The EvoMag model agrees well with established models and observatory data from Niemegk. Finally, we present some observed difficulties and discuss the results of our model. T2 - Stochastische Inversion für Kernfeldmodellierung mit Satellitendaten KW - Geomagnetismus KW - Kernfeldmodellierung KW - Optimierung KW - Evolutionsstrategien KW - Inverse Probleme KW - Geomagnetism KW - Core Field Modeling KW - Optimization KW - Evolution Strategies KW - Inverse Problems Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-498072 ER - TY - THES A1 - Oancea, Marius-Adrian T1 - Spin Hall effects in general relativity T1 - Spin Hall Effekte in der Allgemeinen Relativitätstheorie N2 - The propagation of test fields, such as electromagnetic, Dirac or linearized gravity, on a fixed spacetime manifold is often studied by using the geometrical optics approximation. In the limit of infinitely high frequencies, the geometrical optics approximation provides a conceptual transition between the test field and an effective point-particle description. The corresponding point-particles, or wave rays, coincide with the geodesics of the underlying spacetime. For most astrophysical applications of interest, such as the observation of celestial bodies, gravitational lensing, or the observation of cosmic rays, the geometrical optics approximation and the effective point-particle description represent a satisfactory theoretical model. However, the geometrical optics approximation gradually breaks down as test fields of finite frequency are considered. In this thesis, we consider the propagation of test fields on spacetime, beyond the leading-order geometrical optics approximation. By performing a covariant Wentzel-Kramers-Brillouin analysis for test fields, we show how higher-order corrections to the geometrical optics approximation can be considered. The higher-order corrections are related to the dynamics of the spin internal degree of freedom of the considered test field. We obtain an effective point-particle description, which contains spin-dependent corrections to the geodesic motion obtained using geometrical optics. This represents a covariant generalization of the well-known spin Hall effect, usually encountered in condensed matter physics and in optics. Our analysis is applied to electromagnetic and massive Dirac test fields, but it can easily be extended to other fields, such as linearized gravity. In the electromagnetic case, we present several examples where the gravitational spin Hall effect of light plays an important role. These include the propagation of polarized light rays on black hole spacetimes and cosmological spacetimes, as well as polarization-dependent effects on the shape of black hole shadows. Furthermore, we show that our effective point-particle equations for polarized light rays reproduce well-known results, such as the spin Hall effect of light in an inhomogeneous medium, and the relativistic Hall effect of polarized electromagnetic wave packets encountered in Minkowski spacetime. N2 - Unser grundlegendes Verständnis des Universums basiert auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die eine Beschreibung in Form einer vierdimensional gekrümmten Raumzeit liefert, in der die Anziehungskraft der Gravitation in der Krümmung der Raumzeit kodiert ist. Die überwiegende Mehrheit der experimentellen Tests, die Einsteins allgemeine Relativitätstheorie bestätigt haben, basiert auf der Beobachtung elektromagnetischer Strahlung, die von entfernten astrophysikalischen Quellen wie Sternen oder Galaxien stammt. Daher ist ein tiefgreifendes Verständnis der Dynamik der sich in der Raumzeit ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung von entscheidender Bedeutung. Elektromagnetische Phänomene werden durch Maxwell-Gleichungen beschrieben. Die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung in der Raumzeit ist jedoch sehr komplexe, und es ist im Allgemeinen nützlich, Näherungen zu betrachten, welche eine vereinfachte Beschreibung liefern. Auf diese Weise können die Haupteigenschaften des Systems in einem reduzierten Gleichungssystem codiert und die Gültigkeit der Näherung quantitativ kontrolliert werden. Beispielsweise kann die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung in der Raumzeit durch Anwendung der geometrischen Optik auf die Maxwell-Gleichungen beschrieben werden. Diese liefert ein Modell für die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung in Form von Lichtstrahlen, die sich auf dem kürzesten Weg zwischen zwei Punkten ausbreiten. Im Kontext von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entsprechen dise Lichtstrahlen den Nullgeodäten der zugrunde liegenden gekrümmten Raumzeit. Für die meisten astrophysikalischen Anwendungen von Interesse, wie die Beobachtung von Himmelskörpern oder Gravitationslinsen, stellen die Näherungen der geometrischen Optik und damit die Beschreibung der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung durch Lichtstrahlen ein zufriedenstellendes theoretisches Modell dar. In dieser Arbeit untersuchen wir mögliche Korrekturen der Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung in der Raumzeit, welche durch die Näherung der geometrischen Optik nicht erfasst werden. Solche Korrekturen sind aus der Optik bekannt, wo beobachtet wurde, dass die Ausbreitung von Lichtstrahlen in bestimmten Materialien durch die Polarisation des Lichts beeinflusst werden kann. Diese Korrekturen sind als Spin-Hall-Effekt von Licht bekannt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass ein ähnlicher Effekt für elektromagnetische Strahlung auftreten kann, welche sich in gekrümmter Raumzeit in der Nähe massiver astrophysikalischer Objekte wie Schwarzer Löcher oder Sterne ausbreitet. Darüber hinaus präsentieren wir, basierend auf der Dirac-Gleichung, eine ähnliche Analyse für die Bewegung von Elektronen in gekrümmten Raumzeiten. KW - spin Hall effect KW - gravitation KW - black hole KW - Schwarzes Loch KW - Gravitation KW - Spin Hall effekte Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-502293 ER -