Eine Rotverschiebung ist eine Frequenzverschiebung einer elektromagnetischen Welle, die durch die Bewegung eines Objekts verursacht wird. Die Lichtwellen von Licht von Objekten, die sich von einem Beobachter wegbewegen, sind in Richtung des roten Teils des Spektrums verschoben. Rotverschiebung wird häufig in der Astronomie beobachtet, insbesondere bei der Beobachtung sehr weit entfernter Objekte. Der Effekt ist nicht auf elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich beschränkt, obwohl der Begriff sich durchsetzte, weil einige sich entfernende astronomische Objekte rot erschienen.
Die Rotverschiebung ist das Ergebnis des Doppler-Effekts. Der Doppler-Effekt gilt sowohl für Schallwellen als auch für elektromagnetische Wellen und wird vom Menschen oft täglich erlebt. Die Hupe eines herannahenden Zuges ertönt höher als bei wegfahrendem Zug, obwohl die Hupe selbst einen Ton mit konstanter Tonhöhe erzeugt. Dies liegt daran, dass sich Schall in einem bestimmten Medium mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit ausbreitet – es ist die Frequenz der Schallwelle, die sich je nach Bewegung des Zuges ändert. Ein ähnlicher Effekt tritt mit Licht auf, wobei Licht mit niedrigerer Frequenz von einer Quelle stammt, die sich im Raum entfernt.
Innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums werden niederfrequente Lichtwellen vom Menschen als rot wahrgenommen. Hochfrequente Lichtwellen werden als blau wahrgenommen. Daher entsteht eine Rotverschiebung durch Licht, dessen Quelle sich von einem Beobachter entfernt. Eine Galaxie zum Beispiel, die sich mit hoher Geschwindigkeit von der Erde entfernt, kann rot erscheinen. Ebenso könnte eine sich nähernde Galaxie blau aussehen, wenn ihre Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt.
Obwohl der Begriff Rotverschiebung eine Farbänderung impliziert, gilt der Doppler-Effekt für das gesamte elektromagnetische Spektrum. Alle Strahlung, von der sichtbares Licht eine Art ist, wird basierend auf der relativen Geschwindigkeit der Strahlungsquelle verschoben. Ein astronomisches Objekt, das sich mit ausreichender Geschwindigkeit wegbewegt, kann sich aus dem gesamten sichtbaren Spektrum „rot verschieben“ – sogar über Rot hinaus. Die resultierende Strahlung, die ein Beobachter empfängt, würde im Bereich der Infrarotstrahlung liegen, die für das bloße Auge unsichtbar ist. Daher verwenden Astronomen den Begriff Rotverschiebung, um jede Verschiebung der Strahlung zu niedrigeren Frequenzen anzuzeigen.
In den 1920er Jahren beobachteten der amerikanische Astronom Edwin Hubble und andere, dass die meisten Galaxien rotverschoben zu sein schienen, wobei die Rotverschiebung proportional zu ihrer Entfernung von der Erde war. Je weiter Galaxien entfernt waren, desto schneller schienen sie sich von der Erde zu entfernen. Dieser Trend wird als Hubble-Gesetz bezeichnet und lieferte einige der ersten Beweise für ein expandierendes Universumsmodell, das aus einem Urknall stammt. Bei einer Explosion vergrößern alle Teilchen unterschiedlicher Geschwindigkeit ihren Abstand zu allen anderen Teilchen. Das gleiche gilt in einem „explodierenden“ Universum – alle Galaxien scheinen sich von jedem Beobachter zu entfernen.