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古代天文学家及物理学家以日圭、日晷、水钟、单摆，利用观测日影的变化或水位的变化来计时。随着科技进步，近代科学家发明单摆钟及石英振荡器，利用单摆或石英晶体的振荡周期来计时。但上述计时方式易受环境、温度、材质、电磁场甚至观测者观测角度等影响，稳定度不佳，须由天体（地球自转、公转、月球公转）周期来校正。
1960年以前，CIPM（国际计量大会）以地球自转为基础，定义以平均太阳日之86400分之一作为秒定义。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其稳定度在10-8左右。
1960~1967年CIPM改以地球公转为基础，定义西元1900年为平均太阳年。秒定义更改为：一秒为平均太阳年之31556925.9747分之一。1 Sec = 1/31556925.9747 Solar Year at 1900稳定度约为10-9。
二十世世纪中叶，由于量子力学的发展，发展了诸如光谱超精细结构、镁射及雷射、光磁共振（Optical Pumping）、分子束磁共振、分离震荡场等实验及研究，使量子频率标准取代以天体运动为标准之天体时而成为计时标准。1967年，CIPM定义秒是铯133原子（Cs133）基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。此秒定义一直维持至今。
秒定义可以以铯原子频率标准器来实现，其稳定度依据各标准器的制造方法、维护环境的不同而不同。一般商用的铯频率标准器HP-5071稳定度约在10-12左右，法国LPTF实验室以绝对温标10-6度的铯原子喷泉制成的原子钟，稳定度约在10-16左右。
