驶向我们的火车鸣笛声更高，远离我们的火车的鸣笛声格外低沉，你知道那是多普勒效应。其实，光也有类似的现象，那就是“红移”。它还向我们揭示着一个事实：空间正在膨胀，星系正在逐渐离我们远去。
我们观察一个天体时，有时会发现它发出电磁波（光）的波长产生了变化，当波长变长、频率变低的时候，我们就说这是产生了“红移”现象。之所以叫“红”移，是因为我们平时看到的太阳光线差不多是“白”色的，红色的光的波长比较长一些，所以“白”光的波长变长了看起来就“红”了。当然，并非只有可见光波长变长才叫“红移”，任何电磁辐射的波长增加都可以叫做“红移”。
我们最常见的产生波长变化的效应是多普勒效应，这是波源相对于观察者发生运动所产生的效应。比如冲着我们开来的火车的鸣笛声听起来比较尖，就是频率高、波长短；而远离我们的火车的鸣笛声就恰好相反，相当于产生了声音的“红移”，这是经典多普勒效应。
对于光线也存在这样的效应，只不过需要用狭义相对论的多普勒移动公式进行计算。我们熟知的宇宙膨胀的观测最初就是通过光线的多普勒红移测量到的。天文学家哈勃通过观测发现，距离我们越远的星系其光谱红移的量越大，从而得出远处星系退行速度和距离成正比的哈勃定律。
但我们不能把星系的光谱红移解释为星系在绝对空间的退行速度，因为在红移的量（波长变化的量除以实验室测量的该波长的值）达到1.5的时候，通过计算得到的星系退行速度就已经达到光速了，这意味着星系的动能已经是无穷大了——这当然不可能。而现实是我们目前观测到的红移大于1.5的星系非常多，最远的星系的红移已经是10了，而且宇宙微波背景辐射的红移更是超过了1000。
那么星系的红移是怎么产生的？答案是：空间膨胀本身产生的。我们知道，声音的传播需要介质，所以真空中是听不到声音的；但是光（电磁波）的传播不需要一个由“物质”组成的介质，在真空中传播起来最舒服，因此电磁波的性质就和空间的性质有关系了。
想象一下，在某个空间里面有一定“数量”的电磁波，因此总的辐射场的能量是确定的。我们让这个空间变大（也就是膨胀），那么总的辐射场的能量不变，但是电磁波仍然得充满这个空间，唯一的办法就是波长也要跟着变长，因此空间膨胀必然导致红移（同理，空间收缩必然导致蓝移，即波长变短）。
因此，在膨胀的宇宙中看所有的天体，如果它本身并没有任何运动，那么它的光谱必然发生红移，距离越远，红移越大。如果不是因为宇宙有起源，而光速是恒定的，原则上多大的红移我们都可以观测到！
爱因斯坦根据有名的电梯假想实验得到结论，引力质量和惯性质量是等效的，由此得到了引力的本质就是质量引起的时空扭曲（包括空间弯曲和时钟变慢）这个结论，而这正是引力红移的本质。
根据广义相对论，在引力强的地方，空间弯曲的程度就比较大，因此空间的“尺度”就比较小。比如，把姚明对折几次（也就是使劲弯曲他），他就变矮了，相当于“尺度”变小了。因此从引力强的区域发出光线到引力弱的区域，相当于电磁波经历了一个空间膨胀，那么在引力弱的区域接收到的光的波长就必须变长，这就是引力红移。
根据广义相对论，在引力强的地方，时钟变慢的程度就比较大。比如，地球表面的时钟比全球定位系统卫星上的时钟走得就慢一点，如果不经常修正这个效应，根本不可能做导航，所以这个效应其实是与我们每天的生活有关系的。
引力红移还可以从最简单的能量守恒的角度理解。引力场强的区域的引力势能低，所以从引力强的区域发出光线到引力弱的区域，相当于势能增加了，能量守恒要求光子的能量必须减少，由于光速不变，光子的能量和频率成正比，那么只能是电磁波的频率减少了。减少频率就是增加波长，因此也得到了引力红移。
引力红移是广义相对论的一个重要预言，不但得到了很多实验的验证，而且得到了广泛的应用。