Paradoks bliźniąt jest myślowym eksperymentem mającym na celu wykazanie domniemanych nieprawidłowości w zjawisku dylatacji czasu, wynikającym ze szczególnej teorii względności.
Eksperyment ten polega na wysłaniu jednego z braci bliźniaków z dużą prędkością w kosmos i pozostawieniu drugiego z braci na Ziemi. Ponieważ prędkość bliźniaka, będącego w kosmosie, jest względem Ziemi stosunkowo duża, to czas w jego przypadku powinien płynąć wolniej. Zatem po powrocie na Ziemię proces starzenia powinien być u niego o wiele mniej zaawansowany, niż w przypadku brata, który pozostał na Ziemi. Jednak z punktu widzenia brata znajdującego się w statku kosmicznym można powiedzieć, że to on znajduje się w spoczynku, a Ziemia oddala się od niego z prędkością równą co do wartości prędkości statku. Zatem to brat bliźniak, który pozostał na Ziemi powinien mniej się zestarzeć. Obydwa założenia nie mogą być jednocześnie spełnione, więc mamy tu do czynienia z pewnego rodzaju paradoksem, który wydaje się przeczyć teorii Einsteina.
Wspomniany paradoks nie może mieć oczywiście miejsca, gdyż szczególna teoria względności dotyczy jedynie układów inercjalnych, tj. układów poruszających się ruchem jednostajnym prostoliniowym. Gdyby bracia mieli się spotkać, to statek kosmiczny zmuszony byłby do zmiany kierunku swojej prędkości, wówczas nie mógłby być on układem inercjalnym. Rację ma zatem brat, który pozostał na Ziemi, gdyż układ w którym się on znajduje może być traktowany jako inercjalny.
Pełne i prawidłowe rozwiązanie problemu opisanych bliźniąt może być dokonane jedynie w oparciu o ogólną teorię względności, która dotyczy m.in. układów nieinercjalnych i wiąże tempo upływu czasu z natężeniem pola grawitacyjnego.