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多维空间，是指由4条或者更多条维度组成的空间。
多维空间定义“维”是一种度量，在三维空间坐标上，加上时间，时空互相联系，就构成四维时空。
我们通常的空间概念，是指由长、宽、高组成的三维空间。时间本身具有维度的某些特点，例如一条时间轴可以连接无数个3维空间，因此可以认为我们生活在3+1维时空（4维空间）中；但时间与长、宽、高却是有很大的区别的，例如时间单位与长度单位是不一样的，因此这还不算真正意义上的多维空间。由于光子只能在三维空间中传播，人的肉眼无法看到其他可能存在的维度，这就使得对多维空间的探寻非常困难。但是，众多的科学家、物理爱好者和科幻迷还是提出了各种有关于多维空间的理论。
在平行宇宙理论中，由于存在着无数多个3维宇宙，这些宇宙并不能通过长、宽、高或者时间进行相连，只能通过另外一条维度进行连接，因此平行宇宙本身至少就是一个4+1维时空（5维空间）。
在弦理论中，认为各种基本粒子都是由很小很小的线状弦组成的，在众多现象难以用理论解释的情况下，爱德华·维顿提出了11维空间的概念。
有些人认为，进入黑洞就可以见到神秘的多维几何体。