古代天文學家及物理學家以日圭、日晷、水鍾、單擺，利用觀測日影的變化或水位的變化來計時。隨著科技進步，近代科學家發明單擺鐘及石英振盪器，利用單擺或石英晶體的振盪周期來計時。但上述計時方式易受環境、溫度、材質、電磁場甚至觀測者觀測角度等影響，穩定度不佳，須由天體（地球自轉、公轉、月球公轉）周期來校正。
1960年以前，CIPM（國際計量大會）以地球自轉為基礎，定義以平均太陽日之86400分之一作為秒定義。即1 Second = 1/86400 Mean Solar day其穩定度在10-8左右。
1960~1967年CIPM改以地球公轉為基礎，定義西元1900年為平均太陽年。秒定義更改為：一秒為平均太陽年之31556925.9747分之一。1 Sec = 1/31556925.9747 Solar Year at 1900穩定度約為10-9。
二十世世紀中葉，由於量子力學的發展，發展了諸如光譜超精細結構、鎂射及雷射、光磁共振（Optical Pumping）、分子束磁共振、分離震盪場等實驗及研究，使量子頻率標準取代以天體運動為標準之天體時而成為計時標準。1967年，CIPM定義秒是銫133原子（Cs133）基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9,192,631,770個周期所持續的時間。此秒定義一直維持至今。
秒定義可以以銫原子頻率標準器來實現，其穩定度依據各標準器的製造方法、維護環境的不同而不同。一般商用的銫頻率標準器HP-5071穩定度約在10-12左右，法國LPTF實驗室以絕對溫標10-6度的銫原子噴泉製成的原子鐘，穩定度約在10-16左右。
由於原子頻率標準的穩定度遠較天體為佳，BIPM（國際計量局）定義了下列時標（Time Scale）。
