在引力場中，光子紅移損失的能量，用於克服引力場的勢能。
單個光子的能量和光子頻率有關，光子能量公式為E=hν；光子從恆星表面發出，光子具備動質量，會受到恆星引力場的引力作用，導致光子的能量降低，由於真空中的光速是不變的，所以只能是光子的頻率降低，這種效應就是光子的紅移效應。
恆星引力對光子能量的影響不大，但是一些強引力場的天體，比如中子星、黑洞等等，這種效應就不能忽略了。
在物理學中，光的紅移主要有三種情況，一是引力場造成的紅移，二是狹義相對論效應造成的紅移，三是宇宙膨脹效應造成的紅移。
引力紅移
在引力紅移中，引力場對光子做功，那麼光子能量增加，波長變短，頻率增加；如果光子克服引力做功，那麼光子能量降低，波長邊長，頻率降低。
這時候，光子能量和引力場勢能相互交換；光子紅移的能量，轉化為了引力場中的勢能。
相對論紅移
相對論紅移和波動學中的都卜勒效應是類似的，在不同參考系中光子頻率不同，光子本身的能量並沒有發生變化。
宇宙膨脹紅移
天文觀測表明，我們宇宙處於加速膨脹的過程中，目前的膨脹速度為67.80(km/s)/Mpc，於是在宇宙中傳播的光線，會因為空間膨脹導致波長變長，我們利用遙遠星系的紅移量，根據哈勃定律就可以估算出星系的大概距離。
在宇宙紅移中，光子傳播到了更廣闊的空間中，所以光子紅移損失的能量，轉化為了空間中光子的整體勢能。
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