Das Zwillingsparadoxon beschreibt eine scheinbar paradoxe Konsequenz der Speziellen Relativitätstheorie, genauer gesagt der relativistischen Zeitdilatation. In diesem Gedankenexperiment ist einer einer von zwei Zwillingen Astronaut und reist mit so hoher Geschwindigkeit durch das All, dass er bei seiner Rückkehr nur halb so alt wie sein Bruder ist. Dies ist zunächst nur für diejenigen paradox, die denken, dass die Zeit unabhängig vom Bewegungszustand immer gleich vergeht, was ja nach den Erkenntnissen der Relativitätstheorie nicht der Fall ist. Tatsächlich paradox dagegen ist, dass aus Sicht des Astronautenzwillings sich die Erde mit dem anderen Zwilling mit rasender Geschwindigkeit von ihm entfernt und dann wieder angenähert hat – also sollte die Zeit auf der Erde langsamer als im Raumschifft des Astronauten vergangen sein und daher der Astronaut doppelt so alt wie sein Bruder auf der Erde sein.
Auflösen lässt sich das Paradox, wenn man sich klarmacht, dass eine Reise, die beim Ausgangspunkt endet, immer eine Rundreise sein muss und daher Richtungsänderungen, Beschleunigungen und Abbremsphasen einschließen muss. Deshalb ist mindestens eines der beiden Bezugssysteme kein Inertialsystem, wovon man aber in der Speziellen Relativitätstheorie immer ausgeht. Stattdessen müsste man mit der wesentlich komplizierten Allgemeinen Relativitätstheorie rechnen. Tatsächlich ergibt eine eingehende Analyse, dass der Zwilling, welche nicht durchgängig im selben Inertialsystem saß, wirklich weniger altert als sein häuslicher Bruder.