大家知道，在计量单位制中，除了长度和质量外，还有一个基本物理量，那就是时间。
微波激射器发明后，人们已经认识到可以利用其极为精确的计时功能制造原子钟。原子钟的发明是在新长度基准之外又一件量子计量技术的成果。它使计时技术发生了革命性的变化。要知道，时间的计量对人类的生活有着不可估量的意义。
日出而作，日入而息，铜壶滴漏，日晷影移，这是原始的时间计量。古人就据此建立了各种可靠的计时标准。
在人类观察到的自然现象中，以天空中发生的现象为最明显，也最有规律，所以很自然地自古以来人们就以地球自转周期作为时间的量度基准，这就是所谓的太阳日。最初秒的定义就是1秒＝1／86400平均太阳日。但是由于地球自转并不均匀也不稳定，1960年国际计量大会确认，把时间基准改为以地球围绕太阳公转为依据，即：把秒定义在1900年地球绕太阳沿轨道运行一周所需时间的1／31556925.9747。这一数据之所以有如此之高的精确度，是因为这个结果是通过为期数年的一系列天文观测获得的。
然而根据这个定义很难对秒本身进行直接比较。正好在这期间，时间和频率的测量技术有了很大发展，1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：“秒是铯133原子基态的两超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。”
这么精确的数据是从哪里来的？应该说：这是原子物理学工作者长期研究的成果，是40年代、50年代发明原子钟的重大收获。
大家知道，对于一个周期性系统来说，其周期与频率是互为倒数的。以周期作为时间计量单位实际上就是以频率作为计算时间的依据。原子在能量差为ΔE的两个能级之间跃迁时，将会放出或吸收电磁波，其频率ν＝ΔE／h（h即普朗克常数）。如果能够控制原子只在某两个特定能级之间跃迁，就有可能获得与之相对应的特定跃迁频率。如果这一频率非常稳定，就有可能被选定充当原子频率标准。
我们从光谱仪就可以测出原子光谱每一根谱线的频率，不过，原子光谱的谱线往往不是一根线，而是由若干更细的线组成。只要光谱仪的分辨率提高就可以观察到，这叫做光谱的精细结构。实际上精细结构还可以再分解，如果有分辨率更高的光谱仪，特别是在磁场的作用下，可以进一步观察到精细结构里还有更精细的结构，这叫做超精细结构。原子光谱的超精细结构早在1928年就有人观察到了。实验表明，基态的超精细结构跃迁频率不易受外界磁场的影响，相当稳定，以之作为频率标准是适宜的。
早在1940年，美国物理学家拉比就预见到铯133的超精细结构有可能作为频率计量的基准。
铯133有三个特点：一是超精细结构的裂距量大，达9.2GHz，测量的精确度也很高，可达10－5。二是碱金属原子结构都很简单，属于单电子原子，和氢原子有类似性质，原子光谱的规律最明显，而铯是碱金属稳定元素中最重要的一员，原子质量大，则多谱勒频移小，谱线宽度随之减小，因此可得更高的精确度。三是铯在自然界中仅有一种同位素，即铯133（133Cs），这是最有利的条件。所以拉比首选铯作为原子钟的工作物质。
美国物理学家拉姆齐（N.F.Ramsey）当时正好在哥伦比亚大学随拉比做博士论文，题目是《用原子束方法研究分子的旋转磁矩》。他记得在拉比小组中曾讨论过用铯133的超精细结构测量频率的可能性。拉比还建议美国国家标准技术局研制原子钟，后因条件尚不成熟而搁置。
第二次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子技术有了长足进展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的时代已经不远了。
原子束实验装置素以结构复杂、设备庞大著称，因为它既需要加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射，聚焦、选场、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率计量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。
拉姆齐和大家一样，也在为这个问题做各种探讨。他当时正在哈佛大学教物理光学课，正当他在为谱线增宽的问题苦思之际，迈克耳逊的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一条绝妙的方法。
迈克耳逊的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项成果。他在加州威尔逊山天文台的2.54米天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6米，利用两翼的光束互相干涉，从而测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直没有解决的问题。相距6米的反射镜相当于把望远镜的口径加大6米，实际上即使成了这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学时当然会涉及这个问题。
可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过计算，证明在振荡场的两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同相位，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄40%。这一设计思想立即使铯原子钟获得了成功的希望。1952年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准技术局问世，频率宽度是原来的方法的十分之一，接着，英国国家物理实验室也于1955年建立了原子钟，3年后他们发表了精确的结果：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9192.631770MHz。这一频率后来在1967年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。秒的新定义就是这样产生的。
