原子は、いくつかの特定の状態をとるが、ある状態から別の状態に移るときに特定の周波数の電磁波を放出したり吸収したりすることが知られている。この特定の周波数の電磁波を基準とした時計を原子時計と呼ぶ。たとえばセシウム原子時計の場合、9192631770 Hzのマイクロ波を出すことが知られているが、ここから1秒という時間の長さが定義されている。つまり、現在の1秒の長さの定義は「セシウム133原子の基底状態の2つの超微細準位間の遷移に対応する放射の9192631770周期の継続時間」である。このほか、ルビジウム原子時計や水素メーザー原子時計などがある。高精度のものは15桁の精度を持ち、これは3000万年に1秒程度しか狂わないものとなる。現在ではさらに3桁精度の高い光格子時計の研究が進められている。