更新时间：2023-02-27 21:38
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。
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（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）。
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。
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。
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：
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。