我們都知道光的波長和空間膨脹之間的關係。也聽說過隨著空間的膨脹，輻射的波長會被拉長，光損失能量！我們也經常能看到一些形象的類比，例如：畫在氣球上的波浪，隨著氣球的膨脹波就會被拉長。但是我們會想，光為什麼不能繼續，保持它的頻率和波長，不管它周圍的空間是膨脹還是收縮？也就是說空間的膨脹為何會拉長光波！
我們就來解答下這個問題！
沒有被力束縛住的一切，都會被空間拉伸。
我們可以觀測到的宇宙始於大爆炸，這句話已經是描述宇宙最基本的設定了！而宇宙在過去就表現的更熱、更密集、更緊湊、膨脹得更快。然而今天的宇宙仍然在膨脹，沒有引力束縛的一切在未來都將無限的膨脹下去。
我們可以簡單的想像一下：今天的宇宙可以當作一個有限體積的球體，所有的物質和能量都包裹在裡面。如果我們回溯到過去，同樣數量的粒子會被封閉在一個更小的球體中。
現在你應該知道，我們處在一個由廣義相對論控制的宇宙，在這個宇宙中，空間和時間是相對於任何觀察者的能量、動量和位置而言的。
假設你的壽命很長啊，無限長，你從現在開始觀察一個本星系群外的一個星系，這一看就是數十億年，你從來沒有間斷過，你會發現什麼？
你會看到這個星系的位置發生了很大的變化！就像上圖中葡萄乾在發酵的麵包中一樣改變了位置。但是請注意，葡糖幹它自己並不會膨脹，膨脹的是周圍的空間，所以它們之間的距離增加了。類似的像行星，恆星，星系，甚至星系群和星系團這樣的結構本身也不會隨著宇宙膨脹，因為它們已經被引力束縛住了！膨脹的只是那些沒有被各種力束縛住的物體！
換句話說，你的腰圍可能在擴大，但你不能把這歸咎於宇宙膨脹！因為你已經被電磁力束縛住了，宇宙膨脹是左右不了你的！
還有另外的說法是，暗能量無限的增加，在未來可能會撕裂原子，這就是題外話了，目前來看暗能量就是個常數！
那麼是什麼導致了空間膨脹的發生？
這一切的罪魁禍首，就是時空本身的性質。宇宙的演化過程中，任何參照系中觀察者距離的擴大或縮小是由宇宙中物質和能量的密度決定的。這是廣義相對論應用於宇宙學給我們的關鍵啟示：宇宙中存在的所有形式的物質和能量決定了空間和時間的演化。
在已知宇宙的整個歷史中，時空一直按照這個規律發展，而且據我們所知，這種情況會一直持續到遙遠的未來。
使光發生紅移的現象
空間膨脹我們還是先看下面這張圖，一個膨脹的氣球表面，想像一下你在氣球上畫了網格線。由於光子(光)的能量是由其波長決定的，因此，當宇宙膨脹(或者，從理論上說收縮)時，波長會隨著膨脹的宇宙而拉伸(或者在收縮的宇宙中被壓縮)，從而導致它發生紅移(或者相應的藍移)。
雖然宇宙可能在膨脹，但這並不是唯一能引起紅移的原因。我們如何才能確定是膨脹的影響在起作用呢？
光源移動你應該聽說過都卜勒效應，這就是為什麼當警車/救護車的警笛向你靠近時，音調會逐漸升高，而當車遠離你時，音調會降低的原因。這一點在我們生活中隨處可見，也可以隨時驗證。
就像聲波的波峰在運動方向上被壓縮，相反與運動方向上被拉伸一樣，光波也以同樣的方式運動！如果一個光源遠離你，這個光就會出現紅移，而如果這個光源靠近你，這個光就會出現藍移。
引力的作用根據廣義相對論，引力也會影響光子的能量。(時空和物質/能量有著錯綜複雜的聯繫)！關於由於質量的存在，空間是如何彎曲的，我們可以參考下圖：
當我們向太空發送信號並返回地球時，比如我們常說的GPS，我們不僅需要考慮運動相對論效應，也就是狹義相對論，還需要考慮地球的引力場的影響！
想像一下，如果有一個電子和一個正電子，一對物質/反物質粒子，如果讓它們發生湮滅，這個過程中就會以光子的形式釋放能量，而釋放出光子的能量相當於兩個粒子的靜止質量！
現在，如果我把兩個這樣的正反粒子扔到離地球很高的地方，把它們發生湮滅，然後讓光子落到地球表面，會發生什麼？光子在落下時的能量和在地球表面發生湮滅時的能量一樣嗎？
你這是很不確信引力會對光子會產生影響嗎，而且還覺得這是不是違反能量守恆定律了。那麼我們就想想如果讓正反粒子從地球高處掉到地球表面，然後在發生湮滅，會發生什麼？
顯而易見，粒子在向下移動到地球表面時，會獲得動能。在地球表面發生湮滅時，動能和靜止質量都會轉化為光子的能量。
所以不管粒子是湮滅，然後墜落，還是墜落然後湮滅，通過能量的守恆定律，空間的引力場都會影響光子的能量！
現在我們知道了光線的紅移在光源移動下和引力場中都可以發生。現在，看下我們在不斷膨脹的宇宙中發現的星系光譜。
宇宙的膨脹在星光的紅移中發揮了巨大的作用
上面圖片可以清晰的看到，星系的光譜向紅端移動！那麼這種紅移是因為空間在拉伸嗎?，或者這種紅移是因為發出輻射的星系（光源）只是正在遠離我們嗎？這裡就不說星系引力紅移了，因為引力紅移根本無法解釋不同距離星光紅移的變化。
這個概念的奇妙之處在於，到底是空間在膨脹還是星系（物質）在遠離我們！如果是後者，因為所有的物質就有一個宇宙速度極限（光速），那麼在很遠的距離看到的星系應該有一個不同於廣義相對論（GR）預測的紅移和距離的關係！
前(GR)預測用黑色表示；非GR預測，紅移與空間膨脹無關(僅由光速乘以回望時間來定義)，用紅色表示。
這是一個重要的宇宙測試，因為如果光的波長不隨著宇宙的膨脹而拉伸，只是密度會被稀釋，那麼宇宙微波背景的溫度肯定比現在的要高，因此大爆炸就是錯誤的！
幸運的是，廣義相對論的預測通過了這個測試，而且頻率/波長確實隨著宇宙的膨脹而變化，這是通過多種方式直接測量到的結果，包括測量宇宙歷史上不同時期的溫度。
這就是為什麼，在一個由廣義相對論控制的宇宙中，光必須隨著宇宙的膨脹或收縮，或者隨著空間的引力性質的普遍進化而發生紅移或藍移。