Il red shift gravitazionale è un effetto previsto dalla teoria della relatività generale nella quale la gravità porta a una deformazione dello spazio-tempo. Sulla base del principio di equivalenza tra gli effetti osservabili in un sistema accelerato e quelli osservabili in presenza di un campo gravitazionale, si può prevedere che un orologio in prossimità di una massa (un pianeta, ad esempio) misurerà il passare del tempo in un modo diverso rispetto a uno che si trovi lontano da masse. In particolare, andrà più lento.

L'effetto è generale e quindi si applica a tutti i fenomeni che possono essere considerati come dei cronometri. Per esempio, la frequenza di oscillazione di un campo elettromagnetico diminuisce e quindi il colore della luce visibile cambia spostandosi verso il rosso (da cui il nome dato a questo effetto). Come tutti gli effetti legati alla relatività generale, il red shift gravitazionale è molto piccolo. Sulla Terra, uno spostamento di 10 m in verticale porta ad una variazione di una parte su 10¹⁵ (un milionesimo di miliardesimo); uno spostamento di 10 m porterebbe ad un ritardo dell'orologio di 1 secondo ogni 30 milioni di anni.

Sebbene piccolo, questo effetto è stato misurato con notevole accuratezza utilizzando degli orologi atomici. In un orologio atomico, gli atomi vengono interrogati utilizzando un'onda elettromagnetica; la frequenza dell'onda elettromagnetica viene controllata in modo da indurre una transizione tra diversi livelli di energia interna dell'atomo. La natura quantistica di un atomo fa sì che ciò avvenga a frequenze molto ben determinate. L'unità di misura del tempo, un secondo, è attualmente definito sulla base dell'orologio a atomi di cesio: il secondo è la durata di 9.192.631.770 cicli della radiazione corrispondente alla transizione tra i livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo ¹³³Cs .

In un esperimento effettuato da R. Vessot e colleghi e pubblicato nel 1980, un orologio atomico (in quel caso basato su atomi di idrogeno) venne lanciato con un razzo fino a un'altezza di circa 10.000 km dalla Terra. Confrontando con un segnale radio il tempo misurato da questo orologio con quello misurato da un orologio simile sulla Terra, si è ottenuto quello che è attualmente il test più accurato di questo effetto (con un'incertezza relativa di 7x10^-5). In precedenza, il red shift gravitazionale era stato misurato da R. Pound e G. Rebka a Harvard utilizzando raggi gamma, ossia radiazione elettromagnetica di frequenza molto maggiore di quella della luce. Si utilizzò una sorgente radioattiva che emetteva raggi gamma di frequenza molto ben definita grazie all'effetto Mossbauer, ossia alla riduzione dell'effetto Doppler dovuto al rinculo dell'atomo che emette il fotone se questo è fortemente legato al cristallo. Ponendo il rivelatore su una torre, si misurò la variazione nella frequenza dei fotoni.

Gli effetti relativistici devono essere considerati nei sistemi di navigazione satellitari quali il GPS e il futuro sistema GALILEO che sono basati proprio su un insieme di orologi atomici in orbita intorno alla Terra. Gli orologi atomici ottici che si stanno attualmente sviluppando nei laboratori, avranno una precisione anche mille volte maggiore rispetto ai migliori orologi realizzati finora. Questo significa, per esempio, che sulla Terra l'effetto di red shift gravitazionale sarà osservabile anche per una distanza di 1 cm. Poichè il campo gravitazionale non può essere schermato, si può immaginare che i futuri orologi atomici primari dovranno essere posti nello spazio. Questo pone nuove sfide tecnologiche e apre la possibilità di studiare nuovi fenomeni fisici studiando lo spazio-tempo su scale finora non osservabili.