İnsanlar zamanı yüzyıllar boyunca Dünya’nın hareketlerine göre tanımladı. Gün, Dünya’nın kendi ekseni etrafındaki dönüşüne yıl ise Güneş etrafındaki dolanımına bağlıydı. Lakin 20. yüzyıla gelindiğinde şunu fark ettik: Dünya’nın dönüşü tam anlamıyla sabit değil ve gelgit etkileri, çekirdek-manto etkileşimleri ve çeşitli jeofiziksel süreçler nedeniyle milisaniyelik de olsa düzensizlikler vardı. Bu da daha kararlı bir zaman standardına ihtiyaç doğurdu. Bu arayış, fizikçileri atomik süreçlere yöneltti. Zira atomlar, özellikle de belirli enerji seviyeleri arasındaki geçişler, doğanın en sabit ve tekrarlanabilir olaylarıdır. Burada kritik soru şuydu: “Hangi atom, hangi geçiş, en kararlı ve ölçülebilir frekansı verir?”
Farklı atomlar (hidrojen, amonyak, rubidyum gibi) üzerinde yapılan spektroskopi deneyleriyle bu geçiş frekansları ölçüldü ve karşılaştırıldı. Bu deneylerde atomlar belirli bir elektromanyetik frekansla uyarılır; eğer bu frekans atomun doğal geçiş frekansına denk gelirse rezonans oluşur. Bu rezonans noktası son derece keskin ve tekrarlanabilirdir yani adeta doğanın kendi tik-tak sesi gibi davranır.