Amikor egy tárgy távolodik a megfigyelőtől, az általa kibocsátott fény hosszabb hullámhosszakra nyúlik. A látható fény esetében ez azt jelenti, hogy a szín a spektrum vörös vége felé tolódik el. Ez a vöröseltolódás. Ugyanaz a hatás, mint a Doppler-eltolódás, amelyet akkor hallunk, amikor egy mentőautó elhalad mellette, és a szirénája lelassul.

A vöröseltolódás a kulcs az univerzum méréséhez. Az 1920-as években Edwin Hubble megmérte a távoli galaxisok vöröseltolódását, és megállapította, hogy minél távolabb van egy galaxis, annál nagyobb a vöröseltolódása. Ez az összefüggés, Hubble törvénye, a legfőbb bizonyítéka annak, hogy az univerzum tágul. A vöröseltolódást nem a galaxisok térben való mozgása okozza. Azt maga a tér okozza, amely a fény áthaladásakor tágul.

A vöröseltolódást a korai univerzum tanulmányozására is használják. A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás vöröseltolódása körülbelül 1100-szoros, ami azt jelenti, hogy a fénye 1100-szorosára nyúlt meg a kibocsátása óta. A legtávolabbi galaxisok vöröseltolódása nagyobb, mint 13, ami azt jelenti, hogy úgy látjuk őket, ahogyan a világegyetem mindössze néhány százmillió éves volt.

A vöröseltolódás nem az egyetlen eltolódási forma. A gravitációs vöröseltolódás akkor következik be, amikor a fény kilép egy erős gravitációs mezőből, energiát veszít és megnyúlik. Ezt a Pound-Rebka kísérlet 1959-ben megerősítette, és az általános relativitáselmélet egyik kulcsfontosságú jóslata.