Теоре́ма обрати́мости (принцип обратимости хода световых лучей), одно из основных положений геометрической оптики, согласно которому путь элементарного светового потока, проходящего через среды $1, 2, 3, ...$ по лучу $ABCD$…, заменяется на прямо противоположный ...$DCBA,$ если свет исходит в направлении, противоположном первоначальному. Используется при расчёте оптических систем и построении оптических изображений.

Теорема обратимости является следствием закона преломления света, применяемого к двум средам из последовательности 1, 2, 3,... с показателями преломления $n_1$ и $n_2,$ расположенным одна за другой: $sin \alpha_1/sin \alpha_2=n_2/n_1$ ($α_1$ – угол падения на границу раздела сред, $α_2$ – угол преломления во второй среде). При замене $α_1$ на $α_2$ (и наоборот) величины углов не меняются, т. к. неизменны $n_1$ и $n_2.$ Аналогичные положения справедливы и при отражении, поэтому теорема обратимости справедлива и для линзовых, и для зеркальных систем.

Теорема обратимости предполагает, что ослабление света при прохождении через среду не зависит от замены направления распространения на противоположное. Это следует из обратимости формул Френеля относительно направления света.

Теорема обратимости применима и для систем с плавно меняющимся показателем преломления. В оптически анизотропных средах, а также при высоких интенсивностях световых потоков (лазерное излучение) вопрос о применимости теоремы обратимости усложняется (см. Обращение волнового фронта).