La gente suele usar la palabra "instante" para describir la fugacidad del tiempo. Convirtiendo la definición antigua, un instante equivale aproximadamente a 0,018 segundos. Hay unos 12.000 "movimientos de dedos", 240.000 "momentos" y 4,8 millones de "instantes" en un día y una noche. Estas definiciones de tiempo, que superan la percepción y la capacidad humanas, son las imaginaciones simples, primitivas y románticas de los antiguos sobre la "observación del tiempo". A la vez, también inspiraron el pensamiento racional y la exploración científica de los estándares de tiempo entre los humanos.

Históricamente, la unidad de tiempo «segundo» se definía antiguamente como 1/86.400 del tiempo que tarda la Tierra en completar una rotación sobre su eje (un día solar). Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los científicos descubrieron que la rotación terrestre no es estable y que los días solares no son exactamente iguales a lo largo del año. Por ello, en 1956, basándose en la ley de la revolución terrestre alrededor del Sol, el «segundo» en el Sistema Internacional de Unidades se revisó a 1/31.556.925,9747 del tiempo que tarda la Tierra en completar una revolución alrededor del Sol. Esta definición fue aprobada en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas en 1960. Sin embargo, los errores de medición del tiempo causados por la inestabilidad de la rotación terrestre no fueron superados por la revolución terrestre, y al mismo tiempo, también existían problemas con la dificultad de reproducir la revolución terrestre para fines de medición.

Observar el tiempo con mayor precisión es inseparable del desarrollo de la física atómica y la mecánica cuántica.

Los átomos son las unidades básicas que componen la materia, y su estructura puede dividirse en núcleos atómicos y electrones extranucleares. Los electrones extranucleares se mueven alrededor de los núcleos atómicos y siguen las leyes de la mecánica cuántica, distribuyéndose en diferentes órbitas electrónicas. Imaginemos que existen muchos "pasos" diferentes dentro de un átomo, y que los electrones pueden saltar entre ellos. Estos saltos se denominan transiciones de niveles de energía cuántica. Cuando se produce una transición, un electrón salta de un paso a otro, como un péndulo en el mundo macroscópico, emitiendo un sonido estable de "tic-tac" y radiando ondas electromagnéticas con frecuencias extremadamente estables.

Los diferentes tipos de átomos tienen frecuencias de oscilación únicas. Cuando los átomos se encuentran bajo radiación electromagnética de esta frecuencia, los electrones que orbitan en su interior experimentan transiciones de niveles de energía cuánticos. Los relojes atómicos, diseñados con base en este fenómeno cuántico, pueden definir el tiempo midiendo las ondas electromagnéticas emitidas durante las transiciones de niveles de energía.

A finales de la década de 1940, la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos desarrolló con éxito el reloj molecular de amoníaco. En 1955, el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido desarrolló el primer reloj atómico de cesio del mundo, lo que marcó el inicio oficial de la era de los relojes atómicos. En comparación con los métodos tradicionales de medición del tiempo basados en fenómenos astronómicos, los relojes atómicos no se modifican debido a cambios de ubicación geográfica ni de hora, lo que demuestra una mayor consistencia y estabilidad.

En 1967, la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas adoptó el tiempo atómico para definir el «segundo», es decir, 9.192.631.770 veces el período de transición entre los dos niveles de energía hiperfina del estado fundamental del isótopo cesio-133, sin interferencias externas. Hasta la fecha, la definición de «segundo» se mantiene en el reloj de fuente atómica de cesio, más avanzado.