Ajatuskokeilu on kokeilu, joka suoritetaan mielikuvituksen alueella laboratorion sijasta. Ajatuskokeet on suunniteltu testaamaan ideoita, teorioita ja hypoteeseja, joita ei voida fyysisesti testata, ainakin nykyisten tieteellisten laitteiden avulla. Sen lisäksi, että ajattelukokeita käytetään joillakin teoreettisten tieteiden aloilla, niitä syntyy myös sellaisilla aloilla kuin filosofia, jossa ihmiset tutkivat usein monimutkaisia aiheita, joita ei voida empiirisesti testata tai havaita.
Tunnetuin ajatuskoe on luultavasti Schrödingerin kissan koe, jota käytetään havainnollistamaan käsitettä, joka tunnetaan kvanttietämättömyytenä. Tässä ajatuskokeessa pyydetään kuvittelemaan kissa laatikossa, jossa on myrkkypullo ja yksi radioaktiivinen atomi, jolla on 50% mahdollisuus hajota ja laukaista injektiopullo, jolloin kissa kuolee. Tässä ajatuskokeessa ennen laatikon avaamista kissan katsotaan olevan sekä elossa että kuolleena, koska kukaan ei voi mitenkään tietää, mitä laatikon sisällä on.
Vaikka Schrödingerin kissa on eräänlainen kauhea esimerkki ajatuskokeesta, se herättää mielenkiintoisen hämmennyksen. Käyttämällä nykyisiä fysiikan lakeja sellaisina kuin ne ymmärretään, mikään ei voi olla elossa ja kuollut samanaikaisesti. Tässä ajattelukokeessa tällaisen tilan mahdollisuus on kuitenkin selvästi kuvattu, mikä avaa oven täysin uudelle fysiikan näkökohdalle.
Ajatuskokeita on tehty laajalti 1800 -luvulta lähtien, vaikka tutkijat ja filosofit aikaisemmilla vuosisatoilla loivat perustan. Ajatuskokeella voidaan haastaa hyväksytty idea, tutkia tietyn hypoteesin tulosta, pohtia fysiikkaa tai muita tieteenaloja uudella tavalla tai testata teoreettisen hypoteesin rajoja. Monet huomattavat tutkijat ovat käyttäneet ajatuskokeita työssään, ja ajatuskokeet ovat johtaneet erittäin kuuluisiin tieteen läpimurtoihin, kuten Einsteinin suhteellisuusteoriaan.
Kun joku suorittaa ajatuskokeen, mielen ja mielikuvituksen rajat koetellaan niiden rajoihin. Usein on tarpeen keskeyttää epäusko tai tehdä intuitiivisia harppauksia, kaksi asiaa, joita ei yleensä kannusteta tieteissä. Kyky ajatella laatikon ulkopuolelta tekemällä ajatuskoe voi olla kriittinen teoreettisten tieteiden ihmisille, koska se edistää epätavallisia ajattelutapoja, joita voidaan käyttää radikaalien ja joskus erittäin kiehtovien ideoiden valtaan.