Mõtteeksperiment on eksperiment, mis viiakse läbi pigem kujutlusvõime vallas kui laboris. Mõtteeksperimendid on mõeldud ideede, teooriate ja hüpoteeside testimiseks, mida ei saa füüsiliselt testida, vähemalt praeguse teadusliku varustusega. Lisaks sellele, et neid kasutatakse teoreetiliste teaduste mõnes harus, ilmnevad mõttekatsed ka sellistes valdkondades nagu filosoofia, kus inimesed uurivad sageli keerulisi teemasid, mida ei saa empiiriliselt kontrollida ega jälgida.
Kõige kuulsam mõtteeksperiment on ilmselt Schrödingeri kassi katse, mida kasutatakse kvantmääramatusena tuntud mõiste illustreerimiseks. Selles mõtteeksperimendis palutakse ette kujutada kassi karbis, kus on mürgiviaal ja üks radioaktiivne aatom, millel on 50% tõenäosus, et see laguneb ja käivitab viaali, põhjustades kassi surma. Selles mõtteeksperimendis peetakse kassi enne kasti avamist nii elavaks kui ka surnuks, sest ei saa kuidagi teada, mis kastis on.
Kuigi Schrödingeri kass on omamoodi õudne näide mõtteeksperimendist, tekitab see huvitava mõistatuse. Kasutades kehtivaid füüsikaseadusi nii, nagu neid mõistetakse, ei saa miski olla korraga elus ja surnud. Kuid selles mõtteeksperimendis illustreeritakse selgelt sellise oleku võimalikkust, avades sellega ukse täiesti uuele füüsika käsitlusele.
Mõttekatseid on laialdaselt läbi viidud alates 1800. aastatest, kuigi eelnevate sajandite teadlased ja filosoofid panid aluse sellele. Mõtteeksperimenti saab kasutada heakskiidetud idee vaidlustamiseks, etteantud hüpoteesi tulemuse uurimiseks, füüsika või muude teadusharude uudseks mõtlemiseks või teoreetilise hüpoteesi piiride testimiseks. Paljud tuntud teadlased on oma töös kasutanud mõttekatseid ja mõttekatsed on toonud kaasa väga kuulsaid läbimurdeid teaduses, nagu Einsteini relatiivsusteooria.
Kui keegi teeb mõtteeksperimendi, pannakse mõistuse ja kujutlusvõime piirid nende piirini proovile. Sageli on vaja peatada umbusk või teha intuitiivseid hüppeid – kaks asja, mida teadustes tavaliselt ei julgustata. Võimalus mõelda kastist väljapoole mõtteeksperimenti võib olla teoreetiliste teadustega tegelevate inimeste jaoks kriitilise tähtsusega, kuna see edendab ebatavalisi mõtteviise, mida saab kasutada radikaalsete ja mõnikord äärmiselt intrigeerivate ideede elluviimiseks.