Wenn sich ein Objekt von einem Beobachter entfernt, wird das von ihm ausgesendete Licht zu längeren Wellenlängen gedehnt. Bei sichtbarem Licht bedeutet das eine Farbverschiebung in Richtung Rot. Dies nennt man Rotverschiebung. Es ist derselbe Effekt wie der Doppler-Effekt, den man hört, wenn ein Krankenwagen vorbeifährt und die Tonhöhe seiner Sirene absinkt.

Die Rotverschiebung ist der Schlüssel zur Vermessung des Universums. In den 1920er Jahren maß Edwin Hubble die Rotverschiebungen ferner Galaxien und fand heraus, dass die Rotverschiebung umso größer ist, je weiter eine Galaxie entfernt ist. Diese Beziehung, das Hubble-Gesetz, ist der wichtigste Beweis für die Expansion des Universums. Die Rotverschiebung wird nicht durch die Bewegung von Galaxien im Raum verursacht, sondern durch die Dehnung des Raumes selbst, während sich Licht durch ihn ausbreitet.

Die Rotverschiebung wird auch zur Erforschung des frühen Universums genutzt. Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung weist eine Rotverschiebung von etwa 1100 auf, was bedeutet, dass ihr Licht seit seiner Entstehung um den Faktor 1100 gedehnt wurde. Die entferntesten Galaxien haben Rotverschiebungen von über 13, was bedeutet, dass wir sie so sehen, wie sie aussahen, als das Universum erst einige hundert Millionen Jahre alt war.

Rotverschiebung ist nicht die einzige Art von Verschiebung. Gravitationsrotverschiebung tritt auf, wenn Licht einem starken Gravitationsfeld entkommt, dabei Energie verliert und gedehnt wird. Sie wurde 1959 durch das Pound-Rebka-Experiment bestätigt und ist eine zentrale Vorhersage der allgemeinen Relativitätstheorie.