Jusqu'en 1960, l'unité de temps se référait à la rotation de la Terre sur elle-même. La seconde était définie comme une fraction (1/86400) du jour solaire moyen (intervalle de temps entre deux passages successifs du soleil au méridien d'un même lieu d'observation); depuis 1967, la seconde est définie à partir d’une propriété quantique de l’atome de césium, offrant une précision bien meilleure à l’unité de mesure de temps.

On savait depuis le début du XX^ème siècle que la rotation de la Terre n'était pas stable, des variations de rotation ayant été mises en évidence par l’étude des mouvements orbitaux de la lune et des planètes. Puisque la durée du jour est variable, la seconde définie comme une fraction du jour avait également une durée variable, ce qui est inadéquat pour une unité de mesure. Cependant, aucune horloge ne permettait de générer une échelle de temps plus stable que la rotation de la Terre; la détermination la plus précise de l’heure s’obtenait avec les observations astronomiques. Les choses ont changé lorsque les horloges atomiques firent leur apparition. La communauté scientifique disposa alors d'un standard de fréquence dont la stabilité était de loin supérieure à la rotation de la Terre. La seconde reçut une nouvelle définition en 1967 lors de la 13^ème Conférence Générale des Poids et Mesures: la seconde est la durée de 9 162 631 770 périodes de radiation de la transition entre deux niveaux hyperfins d'énergie de l'état fondamental de l'atome de Césium 133.

Le principe d'une horloge atomique est le suivant. Les atomes peuvent se trouver dans plusieurs niveaux d'énergie, et les transitions entre ces différents niveaux se font par absorption ou émission d'un rayonnement à une fréquence bien précise, propre à chaque transition. Pour générer ces secondes, les horloges atomiques au césium «excitent» les atomes avec un rayonnement dont la fréquence correspond à la fréquence de la transition. Dans la pratique, la fréquence d'excitation est ajustée de façon à obtenir un maximum d'atomes dans l'état excité; la fréquence ainsi obtenue est utilisée pour générer les impulsions-secondes. Dans le cas d'une horloge au césium, chaque fois que l'on a compté 9 192 631 770 cycles, on génère une impulsion seconde.