Люди часто используют слово «мгновение», чтобы описать, насколько быстротечно время. Если перевести древнее определение, то мгновение составляет приблизительно 0,018 секунды. В дне и ночи содержится около 12 000 «щелчков пальцев», 240 000 «моментов» и 4,8 миллиона «мгновений». Такие определения времени, которые превосходят человеческое восприятие и способности, являются простыми, примитивными и романтическими представлениями древних о «наблюдении за временем». Между тем, они также вдохновили рациональное мышление и научное исследование стандартов времени среди людей.

Исторически единица времени «секунда» когда-то определялась как 1/86 400 времени, которое требуется Земле для совершения одного оборота вокруг своей оси (солнечные сутки). С развитием науки и техники ученые обнаружили, что вращение Земли не является стабильным и что солнечные сутки не являются абсолютно одинаковыми в течение года. Поэтому в 1956 году на основе закона обращения Земли вокруг Солнца «секунда» в Международной системе единиц была пересмотрена до 1/31 556 925,9747 времени, которое требуется Земле для совершения одного оборота вокруг Солнца. Это определение было одобрено на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 году. Однако ошибки измерения времени, вызванные нестабильностью вращения Земли, не были преодолены вращением Земли, и в то же время также существовали проблемы, связанные с трудностью воспроизведения вращения Земли для целей измерения.

Более точное наблюдение времени неотделимо от развития атомной физики и квантовой механики.

Атомы являются основными единицами, составляющими материю, и их структуру можно разделить на атомные ядра и внеядерные электроны. Внеядерные электроны движутся вокруг атомных ядер и следуют законам квантовой механики, распределяясь по различным электронным орбитам. Представьте себе, что внутри атома есть много разных «ступенек», и электроны могут перескакивать между этими ступенями. Такие скачки называются квантовыми переходами энергетических уровней. Когда происходит переход, электрон перескакивает с одной ступеньки на другую, как маятник в макроскопическом мире, издавая стабильный звук «тик-так» и излучая электромагнитные волны с чрезвычайно стабильными частотами.

Различные типы атомов имеют уникальные частоты колебаний. Когда атомы подвергаются электромагнитному излучению этой частоты, электроны, вращающиеся внутри атомов, будут претерпевать квантовые переходы энергетических уровней. Атомные часы, разработанные на основе этого квантового явления, могут определять время, измеряя электромагнитные волны, испускаемые во время переходов энергетических уровней.

В конце 1940-х годов Национальное бюро стандартов США успешно разработало аммиачные молекулярные часы. В 1955 году Национальная физическая лаборатория Великобритании разработала первые в мире цезиевые атомные часы, ознаменовав тем самым официальное вступление человечества в эру атомных часов. По сравнению с традиционными методами измерения времени, основанными на астрономических явлениях, атомные часы не будут меняться из-за изменений географического положения или времени, демонстрируя лучшую согласованность и стабильность.

В 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла атомное время для определения «секунды», то есть 9 192 631 770 раз больше периода перехода между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями основного состояния изотопа цезия-133 при условии отсутствия внешних помех. До сих пор определение «секунды» поддерживается более совершенными цезиевыми атомными фонтанными часами.