红移（ redshift ）是指 电磁辐射 的波长增加、频率降低的现象。在 可见光 波段 ，表现为光谱的 谱线 朝红色波段移动。对于波长较长的 红外线 、 微波 和 无线电 波等，尽管波长增加会导致远离红光波段，这种现象还是被称为“红移”。与红移相反的波长减少、频率增加的现象称为负红移或 蓝移 。通常用波长变化值与原波长的比值表示红移的大小，即红移值 ，红移则该值为正，蓝移则为负。
据不同的 作用机制 ，红移可分为 克里斯蒂安·多普勒 红移、宇宙学红移和 引力 红移。多普勒红移是由物体和观察者之间的相对运动导致的， 多普勒效应 可解释这种现象。引力红移也称 阿尔伯特·爱因斯坦 位移，可以用 广义相对论 解释，由于引力能引起时间的膨胀，光从 引力场 发射出来时会产生红移现象。 宇宙 学红移是由宇宙空间膨胀使 光子 波长增加而引起的。哈勃–勒梅特定律（哈勃定律）揭示了 星系 的红移量与距离成正比的规律。
红移在地面技术的应用包括多普勒雷达和雷达测速仪等。红移现象是 宇宙 膨胀大爆炸理论的强有力证据。红移也被用于 天文学 观测。，并且这些现象在 地球 技术如多普勒雷达和 雷达枪 中得到了应用。
简史
该现象的研究历史始于19世纪经典波 动力学 的发展以及 多普勒效应 相关现象的探索。这种效应以 克里斯蒂安·多普勒 （Christian Doppler）命名，他于1842年提出了该现象的第一个已知的物理解释。这一假设于1845年由 荷兰 科学家克里斯托弗斯·布伊斯·巴洛特（Christophorus Buys Ballot）通过 声波 的实验来测试并得到确认。并且多普勒正确地 预言 了这种现象适用于所有种类的波，特别是认为 恒星 的变化颜色可以归因于它们相对于 地球 的运动。不过，关于恒星颜色变化的这一推论后来被推翻了，因为发现恒星的颜色主要是由恒星的温度决定的而不是相对运动引起的。直到后来，经实验验证的红移观测结果才证实 克里斯蒂安·多普勒 关于红移是适用于所有种类波的预言是正确的。
首次描述了多普勒红移的是 法国 物理学家希波吕特·菲泽（Hippolyte Fizeau），他于1848年指出在 恒星 中看到的光谱线的移位是由 多普勒效应 引起的。这种效应有时被称为“多普勒-菲泽效应”。 英国 天文学家 威廉·哈金斯 （William Huggins），于1868年，第一位使用这种方法确定了 恒星 远离 地球 的速度 。1871年，又利用 太阳 的自转测出 太阳 光谱的 夫朗和斐 线（Fraunhofer lines）在红光部分有0.1埃的位移，从而证实了光学红移 。1887年，福格尔（Vogel）和沙伊纳（Scheiner）发现由于地球的轨道速度，位于 黄道 附近的 恒星 的 多普勒频移 每年都会发生变化。1901年，阿里斯塔克·别洛波尔斯基（Aristarkh Belopolsky）利用旋转镜组在实验室验证了光学红移现象。
而“红移”这一术语（即以 red-shift 这种连字符的形式）最早出现在1908年 美国 天文学家 沃尔特·亚当斯 （Walter S. Adams）的 出版物 中，其中他提到了“探讨 星云 红移的两种方法”。
自1912年起，维斯特·斯里弗尔（Vesto Slipher）观测到大多数 螺旋 星系 （当时被认为是星云）都有明显的红移，之后他在《罗威尔天文台公报》（Lowell Observatory Bulletin）的创刊号中首次报道了他的测量结果。 三年后，他在《 大众天文学 》（Popular Astronomy ）杂志上发表了一篇评论文章， 在文章中，他指出：“ 仙女座 大螺旋 星系 具有-300km/s这一相当异常的速度，这一早期发现表明了当时可用的手段不仅可以用来研究星系的光谱，还可以研究它们的速度。”同时斯里弗尔报告了分布在整个 天球 上的15个 螺旋星云 的速度，除了其中三个以外，其余的均具有可观测到的“正向”（即远离 地球 ）速度。随后，爱德温·哈勃（Edwin Hubble）发现了这种 " 星云 "的红移与它们的距离之间的近似关系，并提出了以他名字命名的 哈勃定律 。这些观测结果证实了 亚历山大·弗里德曼 （Alexander Friedmann）于1922年推导出的弗里德曼-勒梅特 方程 （Friedmann–Lemaître equations） 。这些结果如今也被认为是支持 宇宙 膨胀和宇宙大爆炸理论的有力证据。
红移机制解释
红移（和 蓝移 ）可以用 天体 的观测与发射之间的波长（或频率）的相对差异来描述。在 天文学 中，习惯上使用一个 无量纲量 来表示这种变化。如果 表示波长， 表示频率（注意， ，其中 是 光速 ），那么 由以下公式来定义 ：
在测量了 值之后，红移和蓝移的区别仅仅是 为正还是负。例如， 多普勒效应 的蓝移（ ）与天体朝观察者方向移动相关，伴随着光会向更高的能量方向发生偏移。相反，多普勒效应的红移（ ）与 天体 远离观察者方向移动相关，伴随着光会向较低能量的方向发生偏移。同样， 引力 蓝移 与从强 引力场 内观察较弱引力场内的光源发出的光相关，而引力红移则意味着相反的情况。
进一步的，一个 光子 在真空中传播时可以有几种不同的红移机制，最终观测到的现象是类似的，归根结底这些机制是在不同参考系（时空）的所对应的不同变换（可参考上文的红移总结）。
多普勒红移
如果光源远离观察者，则会出现红移（ ）；如果光源向观察者移动，则会出现蓝移（ ）。这对于所有 电磁波 都是适用的，并可以用 多普勒效应 来解释。因此，这种类型的红移被称为多普勒红移。如果光源远离观察者的速度v远小于 光速
（ ），则红移可以由以下公式给出：
其中c是光速。在经典多普勒效应中，源的频率并没有被改变，但 退行 会造成频率降低的假象。
更完整的 克里斯蒂安·多普勒 红移处理需要考虑源接近光速运动时的 相对论 效应。简而言之，由于 狭义相对论 的 时间膨胀 ，接近光速运动的物体需要将Lorentz因子 引入到经典多普勒公式中来进行修正（仅针对视线方向的运动） ：
这一现象是于1938年由赫伯特·艾夫斯（ Herbert E. Ives）与G.R.斯蒂尔韦尔首次在实验中观测到，因此也被称为艾夫斯-斯蒂尔韦尔实验。
由于 洛伦兹因子 仅取决于速度的大小，因此与 相对论 修正相关的红移与源运动的方向无关。而与之相反，公式的经典部分取决于源的运动在视线方向上的投影，从而导致不同方向会产生不同的结果。下面假设 是在观察者参考系下相对运动方向与发射方向的夹角，那么 相对论性多普勒效应 的完整形式为 ：
如果仅仅沿着视线运动（即 ），该 方程 可以简化为：
如果在观察者参考系下光线与观察者相对运动方向成直角（即 ），此时 相对论 性的 多普勒 红移也被称为横向红移，公式可以简化为：
所以即使物体并没有朝远离观察者的方向移动，仍会观测到红移。那么当运动存在一个横向分量时，就会存在某个速度，使得 时间膨胀 恰好抵消了预期的 蓝移 ，而当速度更高时，朝向观察者运动的源将会出现红移。
宇宙学红移
在20世纪早期，斯利弗、维尔茨等人对 银河系 外的 星系 进行了首次红移与蓝移的测量。他们最初将这些红移和蓝移解释为随机运动的结果，但后来 勒梅特 （1927年）和 哈勃 （1929年）根据以前的数据，发现了星系的红移和距离的增加之间存在着大致的 线性关系 。勒梅特意识到这些观察结果可以通过 爱因斯坦 方程 的 弗里德曼 解中所看到的产生红移的机制来解释。红移和距离之间的 相关性 是所有这些具有空间膨胀的模型所要求的，因此，在膨胀的空间中传播的 光子 的波长会被拉长，从而产生了宇宙学红移。
在 宇宙 学背景下的红移与邻近物体所表现出的局部 多普勒效应 红移相比是存在区别的（可参考 宇宙学效应 与 局域效应 的部分）。宇宙学红移不是由于 天体 间的相对速度引起的，而是由于它们所穿行的时空本身的全局特征使得 光子 的波长和红移增加。这个效应的一种解释是 宇宙 时空本身正在膨胀， 当然也有其他诸如光子老化、物理 常数 变化、多重爆炸宇宙等等解释，但因过于牵强，能解释的现象较少从而已不是目前的主流解释。
数学推导
可以使用描述均匀和 各向同性 的 宇宙 的 广义相对论 方程 推导出该效应的观测结果。而为了推导出 红移效应 ，可以使用光的 测地线 方程 ，即：
其中各字母表示
对于一名观察者在 和 的时空位置观察到光波的波峰，而该光波的波峰在 和 的时空位置被发射出来。对光波的空间路径和时间路径上进行积分得到：
一般来说，由于度规的变化，光的波长在两个所考虑的时空点上是不的。当光波被发射时，它具有波长 ，那么下一个波峰的发射时间为：
而下一个可被观测到的波长为 的波峰的到达时间为：
由于随后的波峰再次从 发射并在 处被观察到，因此可以写出以下方程式：
由于上述两个 积分方程 的右侧是相同的，这意味着：
进一步有：
从而我们发现：
对于一个非常短的时间变化（在光波的一个周期内），尺度因子基本上是一个 常数 （ 以及 ）。因此有：
进一步可以写成：
再使用上面提供的红移的定义得到 方程 ：
在一个膨胀的 宇宙 中（如我们所处的宇宙），尺度因子随着时间的推移会不断增加（即 ），因此 是正的，从而遥远的 星系 会呈现出红移。
利用宇宙膨胀模型，红移可以与被观测物体的年龄相关，即所谓的宇宙时间红移关系。将密度比表示为 :
表示临界密度，用于划分最终压缩的宇宙和单纯膨胀的宇宙。这个密度大约是每立方米空间三个 氢原子 。在较大的红移下会有 ，从而人们发现：
宇宙学效应与局域效应
对于红移量 的宇宙学红移，本质上是一种“ 宇宙学效应 ”，即由于 星系 之间的特殊运动而额外产生的 多普勒 红移和 蓝移 会导致标准 哈勃 定律 出现广泛散布。这种情况可以通过“膨胀的橡皮板宇宙”来说明，这是一种用来描述空间膨胀的常见的宇宙学类比。如果用滚珠轴承表示两个物体，用一块伸展的 橡胶板 表示时空， 多普勒效应 是由滚珠在橡胶板上滚动产生奇特的运动引起的。当滚珠轴承被粘在橡胶板上，而橡胶板被拉伸时，宇宙学红移就会发生。
星系的红移既包括因 宇宙 膨胀引起的退行速度的相关分量，也包括特殊运动（ 克里斯蒂安·多普勒 移位）的相关分量 。宇宙膨胀引起的红移取决于退行速度，其描述方式由所选择的有关宇宙膨胀的宇宙学模型来决定的，这与 多普勒 红移仅取决于局部速度的描述方式非常不同。
一般流行的文献经常使用“多普勒红移”而不是“宇宙学红移”来描述以时空膨胀为主导的 星系 的红移，但是宇宙学红移不是通过 相对论 性的多普勒 方程 发现的，而是用 狭义相对论 来表述的；因此， 是不可能的，但在 宇宙 学红移的情况下， 是有可能的，因为分隔物体（例如 类星体 与 地球 之间）的空间膨胀速度可以超过 光速 。更加数学化的表达即"遥远的星系正在远离"和"星系间的空间正在膨胀"这两种观点是可以通过改变 坐标系 来联系的 。要更精确地表达这一点需要使用弗里德曼 - 罗伯特森 - 沃克度规（Friedmann–Robertson–Walker metric）的数学方法。
引力红移
在 广义相对论 中， 引力场 的 势阱 内会存在 时间膨胀 ，这便被称为引力红移或 阿尔伯特·爱因斯坦 位移。这种效应的理论推导来自于爱因斯坦 方程 的施瓦西解 ，其会推导出下述公式，用于描述 光子 在无电荷、无自转、球对称的引力场中传播时的红移现象 ：
其中：
这种 引力 红移效应也可以从 狭义相对论 和 等效原理 的假设中推导出来，而不需要使用完整的 广义相对论 理论。
在地球上，这种效应非常微小，但可以通过穆斯堡尔（Mössbauer）效应来进行测量，并之后在庞德-雷布卡（Pound–Rebka）实验中得以首次观察到了这一效应 。然而，在 黑洞 附近时，这种效应就会变得非常显著，即当一个物体接近 事件视界 时，红移会变成无穷大。这也是 宇宙 微波背景辐射中造成大角度尺度温度扰动的主要原因。
以下为对各种红移类型的机制总结：
红移观测
首先一个光源发出的光，其光谱是可以被测量，而为了确定红移，可以在光谱中寻找吸收 谱线 、发射谱线或其他光强度变化的特征。如果找到了这些特征，可以将它们与在地球上的实验中发现的各种化合物光谱中已知的特征进行比较。太空中最常见的元素是氢，原本无特征的光照射 氢原子 将呈现出氢的所有特征光谱，而光谱的谱线会具有特定的间隔。如果从一个来自遥远的源的观测光谱中看到相同的间隔模式，但波长发生了偏移，那么也可以被识别为氢。如果在两个光谱中识别出相同的光谱线，但出现了不同的波长，则可以使用下表来计算红移，而以这种方式确定物体的红移需要一个频率或波长范围。
而在 天文学 领域是可以测量红移的具体值的，因为 原子 的发射和 吸收光谱 是独一无二的，且可以在地球上实验室的光谱实验中进行校准的 。但是同样作为一种测量方法， 光谱学 比测光法（photometry）难度会大得多，耗费的观测时间也很久，而后者方法较为简单，即是通过特定的滤波片来测量 天体 的亮度 。当测光数据是全部可用的时候（例如， 哈勃深场 和 哈勃 超深场），天文学家会依靠于一种测量光度红移的技术 。但由于测光 滤镜 的波长范围很宽，以及对光源处光谱性质的必要假设，这类测量的误差可以达到 ，比光谱学测量的精度要差很多 。然而，由于测光法的技术可以利用其现有测光数据快速估算出大量 星系 的红移数据，而且对于 大样本统计 研究仍可以给出较可靠的星系性质，所以目前依旧得到了重视并被广泛应用。
本地观测
因为近距离 天体 （ 银河系 内的）观测到的红移几乎总是与被观察到的天体的相对视线速度有关，所以对于这种红移或 蓝移 的观测使得天文学家能够测量速度并参数化光谱 双星 轨道中轨道星的质量，这种研究方法最初是由 英国 天文学家 威廉·哈金斯 于1868年采用 。同样，在单个 恒星 的光谱测量中探测到的 小红移 或小蓝移已可以被用来诊断和测量恒星周围 行星 系统的存在，甚至在行星凌日期间可以进行非常精细的红移测量，以确定更加精确的轨道参数 。
如今，精细的红移测量已被应用于诸如 日震学 来确定 太阳 光球层的精确运动 ，以及 行星 旋转速度、 星际云 速度的测量， 星系 的旋转，甚至研究 中子星 和 黑洞 的 吸积 动力学 。此外，通过测量 克里斯蒂安·多普勒 展宽（即单个发射或吸收线的红移或 蓝移 ）还可以获得各种 天体 的温度，比如通过测量不同方向中21厘米氢线的展宽和位移， 天文学 家已可以测量星际气体的退行速度，这样就又进一步得到了 银河系 的旋转曲线，类似的测量也已在其他 星系 （如 仙女座 ）中进行。因此，作为一种诊断工具，红移测量已是 天文学 中最重要的 光谱学 测量之一。
河外星系观测
大约在1912年，维斯特·斯里弗尔成为了第一位发现 星系 红移的人。而 哈勃 将斯里弗尔的测量结果与他通过其他方式测量的距离联系起来，寻找到了红移与距离之间的关联性，从而形成了 哈勃 定律 ，即对于在大约一千兆秒差距以内，比本 星系群 和附近的 室女星系团 更远的星系，红移与 星系 的距离大概是成正比的，所以越遥远的物体会显示出越大的红移。最早发现的 "高红移"（ ） 天体 是 类星体 的发光点状核心，之后天文望远镜的改进又允许可以发现其他高红移的 河外星系 。而目前观测到的对应于最远的距离和距今最早的时间的最高红移便是是 宇宙 微波背景辐射的红移；其红移的数值约为 （ 对应于现在的时间），它显示了大爆炸最初时刻后的37.9万年，即大约138亿年前的 宇宙 状态。
不过 哈勃 定律 对于距离和红移之间的 线性关系 是假设宇宙的膨胀 速率 为恒定的。然而，当宇宙在更年轻（如大爆炸最初时刻）的时候，膨胀速率（也就是哈勃 " 常数 "）会比今天要大的多。那么，对于更遥远的 星系 来说，其光线传播到我们这里的时间会更长，因此恒定膨胀速率这一近似就失效了， 哈勃 定律也变为非线性得积分关系 ，并依赖于问题所涉及的 星系 发射光线时膨胀速率的历史。所以，对红移-距离关系的观测也是可以用来确定 宇宙 的膨胀历史以及确定物质和能量的含量。
另一方面，因为与星系相关的本动速度可能又叠加了宇宙中其他某种被束缚 天体 的质量，从而星系之间和 星系团 之间的 引力 相互作用会导致哈勃图中出现明显的散点。这种效应便会导致以下的这些种种现象，如附近的某种 星系 在与我们向共同重心坠落时，是表现出 蓝移 的；以及 星团 的红移图由于本动速度在一个大致的球形分布中发生了散布而显示出了一种被称为“神之手”的效应。这些个附加的部分使宇宙学家有机会测量独立于质光比（一个星系的质量与它的亮度之比，以 太阳 质量计）的 天体 的质量，因而对 河外星系 红移的观测也是测量 暗物质 的一个重要工具。
红移巡天
随着自动化望远镜的出现和 分光光度计 的改进，许多合作项目开始尝试通过红移来绘制 宇宙 的地图。结合红移和角度位置的数据，目前红移 巡天 已经可以绘制出宇宙中一定范围内的物质的三维分布。例如 长城 （The Great Wall，又译作“巨墙”），作为一个由超过5亿光年宽的 星系 组成的巨大超级 星系团 ，是如今红移 巡天 可以探测到的有关大尺度结构的一个惊人例子。所有这些观测结果都可以被用来研究宇宙大尺度结构的性质。
第一个红移巡天项目是CfA红移巡天，开始于1977年，最初的数据收集已于1982年完成。之后的 2度视场 星系 红移 巡天 （2dFGRS），其数据收集于2002年完成，最终 数据集 于2003年6月30日发布 。测量了超过22万个星系的红移，确定了 宇宙 一部分的大尺度结构；截至2022年仍在运行的 斯隆数字巡天 （SDSS），其旨在测量大约300万个 天体 的红移。作为试点计划深度1红移 巡天 （DEEP1）的后续， 深度2红移巡天 （DEEP2）使用 凯克望远镜 和"DEIMOS " 分光光度计 ，旨在测量红移0.7以上的暗 星系 ，因此它可以为SDSS以及2dFGRS提供高红移的补充。
高红移天体
基于以上的多种红移观测手段，已能够观测到众多的高红移天体，而已知的高红移的都是来自于 星系 和能产生伽马 射线 暴的天体。目前确认的最高星系光谱红移是 GN-z11 ，其红移为 ，相当于大爆炸后4亿年。先前的纪录由 UDFy-38135539 保持，其红移为 ，相当于大爆炸后6亿年。相对不太可靠的是莱曼断裂红移，其中最高的是 透镜星系 A1689-zD1 ，其红移为 ，第二高的是 。目前已观测到的具有 光谱红移 量的最远 伽马射线暴 是 GRB 970508 090423，其红移为 。已知最遥远的 类星体 是ULAS J1342+0928，其红移为 。已知最高红移的 射电 星系 为TGSS1530，其红移为 。而最高红移的分子物质是来自于类星体SDSS J1148+5251中的 一氧化碳 分子，其红移为 。
目前观测到的最高红移为宇宙微波背景的红移（ ），相当于大爆炸后约379,000年和超过460亿光年的实际距离 。不过目前尚未观察到来自最古老的第三族 恒星 的第一道光，在 原子 首次形成和CMB几乎完全停止吸收后不久，其红移范围可能在 。不过在2015年6月， 天文学 家在红移为 的“宇宙学红移7号” 星系 （ Cosmos Redshift 7 galaxy）中报告了第三代恒星可能存在的证据。这样的恒星大概率存在于 宇宙 早期（即在高红移处），并且可能已经开始产生比氢更重的 化学元素 。其他由物理学预测但目前无法观测到的高红移事件，包括大爆炸后约两秒的宇宙 中微子 背景（可能具有红移超过 ） 以及由于暴胀而直接发出 引力波 的宇宙引力波背景，其红移可能超过 。
红化现象
在不少观测中辐射传递或物理光学这些物理过程中的相互作用和现象也可能会导致 电磁辐射 的波长和频率发生偏移，在这些情况下，这种偏移对应于能量转移到物质或其他 光子 ，而不是通过参考系之间的变换实现的。这种偏移可以来自与相干效应或电磁辐射的散射，无论是来自带电 基本粒子 还是微粒间的散射，抑或是来自介 绝缘介质 中 折射率 的涨落（例如 无线电 领域中的无线电啸叫声）。虽然这些现象有时被称为“红移”和“ 蓝移 ”，但在 天体物理学 中，导致辐射场中能量偏移的光-物质相互作用通常被称为“红化”（reddening），而不是“红移”。
在许多情况下，散射会使得辐射变红，是因为系统总是趋于 更大地状态，从而会导致更多的低能 光子 比少数地高能光子占有优势（保持总能量不变）。 除非在尽可能仔细地控制下，散射过程才不会在整个光谱中产生相同的波长相对变化；也就是说，任何计算得出的 一般都是波长的函数。此外，随机介质的散射可以发生在许多角度，而 是散射角度的函数，如果发生多次散射，或者散射粒子间有相对运动，那么通常也是会出现 谱线 的失真。
在星际天文学中，由于散射过程，可见光谱也会显得更红，这种现象被称为星际红化（interstellar reddening）——类似于 瑞利散射 导致日出或日落时看到的 太阳 的大气变红，并使天空的其他部分呈现出蓝色。这种现象与红移完全不同，因为在变红的物体中，谱线并没有转移到其他波长，而且由于 光子 在视线中来回散射，还会存在额外的暗淡和失真现象。