L'un des "paradoxes" les plus connus concernant la relativité restreinte est dû au physicien français Paul Langevin et est souvent nommé "paradoxe des jumeaux". La situation imaginée par Langevin est la suivante: deux frères jumeaux décident de faire une expérience grâce à une fusée pouvant voyager à des vitesses proches de celle de la lumière. L'un d'entre eux reste sur Terre, alors que l'autre part en voyage à une vitesse relativiste, puis au bout d'un certain temps fait demi-tour et revient vers la Terre à la même vitesse. Le "paradoxe" consiste en ceci que lorsque le jumeau voyageur reviendra sur Terre, il sera plus jeune que son frère resté sur Terre. A partir de là, il existe plusieurs versions concernant "ce qui est paradoxal".
La version la plus simple est celle où, selon le bon sens commun, le paradoxe réside dans le fait que des jumeaux devraient garder le même âge toute leur vie. Mais ceci repose sur une conception de temps absolu et universel que la relativité renie entièrement. Ce n'est donc pas un paradoxe interne à la théorie. En revanche, il peut paraître paradoxal que l'un des jumeaux soit finalement plus âgé que l'autre car, a priori, rien n'interdit de se placer du point de vue du jumeau qui part dans la fusée et de considérer que c'est la Terre qui se déplace : depuis Galilée déjà, le mouvement et la vitesse sont relatifs. Ainsi, selon un principe de symétrie, on devrait s'attendre à ce que chacun des jumeaux puisse faire le même raisonnement et on ne saurait conclure qui des deux sera réellement plus âgé, ni même s'il y en aura un plus âgé. Or, cet apparent paradoxe n'est pas plus valable que le premier car les deux jumeaux n'ont pas des rôles symétriques. Celui qui part dans la fusée n'est plus un observateur inertiel car il subit des accélérations et des décélérations, alors que celui resté sur Terre n'en subit aucune. Il convient d'ailleurs de ne pas oublier que rien n'interdit dans ce raisonnement à la Terre d'être en mouvement de translation uniforme, elle est supposée inertielle, mais pas immobile, ce qui n'a aucun sens dans l'absolu. Par conséquent, pour faire des calculs valables dans le cadre de la relativité restreinte, il est nécessaire d'utiliser un système de coordonnées fixe (ou mobile à vitesse constante) par rapport au terrien, puisqu'il est inertiel. Si l'on souhaitait faire le calcul du point de vue du jumeau voyageur, il faudrait se placer du point de vue d'un observateur non-inertiel, cas sur lequel cette théorie ne dit rien (toutefois en relativité générale ce serait possible). Néanmoins, pour obtenir le résultat définitif, la relativité restreinte est suffisante, si l'on prend le soin d'utiliser un système de coordonnées valable.
Compte tenu de la technologie actuelle, l'expérience de Langevin reste impossible à vérifier sur des êtres humains. Cependant, une expérience très similaire a été réalisée à l'aide d'horloges embarquées dans des avions faisant le tour de la Terre en sens contraires avant de revenir à leur point de départ (on aurait tout aussi bien pu procéder avec une seule horloge mobile et une horloge fixe à la surface de la Terre). Pour mettre en évidence l'effet attendu, on peut montrer qu'une précision de l'ordre d'une microseconde (un millionième de seconde) est suffisante. Or, les horloges de pointe actuelles sont tout à fait capables d'arriver à une telle précision et l'effet prédit par la relativité restreinte a bien été observé.
<=====================================================================================(A gauche, cycliste relativiste vu par un piéton immobile dans une rue, à droite, rue vue par le cycliste. Dans chacun des cas, ce qui est en mouvement par rapport à l'observateur semble contracté dans le sens du mouvement. Le phénomène est symétrique, en accord avec le principe de relativité.
Figures extraites du "Nouveau monde de M. Tompkins" par G. Gamow, R. Stannard et M. Edwards (illustrations), Editions Le Pommier (2002). )