然而根據這個定義很難對秒本身進行直接比較。正好在這期間，時間和頻率的測量技術有了很大發展，1967年第十三屆國際計量大會重新規定了時間單位的定義：“秒是銫133原子基態的兩超精細能級之間躍遷所對應的輻射的9192631770個周期的持續時間。”
這麼精確的數據是從哪裏來的?應該說：這是原子物理學工作者長期研究的成果，是40年代、50年代發明原子鍾的重大收獲。
大家知道，對於一個周期性係統來說，其周期與頻率是互為倒數的。以周期作為時間計量單位實際上就是以頻率作為計算時間的依據。原子在能量差為ΔE的兩個能級之間躍遷時，將會放出或吸收電磁波，其頻率ν＝ΔE／h(h即普朗克常數)。如果能夠控製原子隻在某兩個特定能級之間躍遷，就有可能獲得與之相對應的特定躍遷頻率。如果這一頻率非常穩定，就有可能被選定充當原子頻率標準。
我們從光譜儀就可以測出原子光譜每一根譜線的頻率，不過，原子光譜的譜線往往不是一根線，而是由若幹更細的線組成。隻要光譜儀的分辨率提高就可以觀察到，這叫做光譜的精細結構。實際上精細結構還可以再分解，如果有分辨率更高的光譜儀，特別是在磁場的作用下，可以進一步觀察到精細結構裏還有更精細的結構，這叫做超精細結構。原子光譜的超精細結構早在1928年就有人觀察到了。實驗表明，基態的超精細結構躍遷頻率不易受外界磁場的影響，相當穩定，以之作為頻率標準是適宜的。
早在1940年，美國物理學家拉比就預見到銫133的超精細結構有可能作為頻率計量的基準。銫133有三個特點：一是超精細結構的裂距量大，達92GHz，測量的精確度也很高，可達10－5。二是堿金屬原子結構都很簡單，屬於單電子原子，和氫原子有類似性質，原子光譜的規律最明顯，而銫是堿金屬穩定元素中最重要的一員，原子質量大，則多譜勒頻移小，譜線寬度隨之減小，因此可得更高的精確度。三是銫在自然界中僅有一種同位素，即銫133(133Cs)，這是最有利的條件。所以拉比首選銫作為原子鍾的工作物質。
美國物理學家拉姆齊(NFRamsey)當時正好在哥倫比亞大學隨拉比做博士論文，題目是《用原子束方法研究分子的旋轉磁矩》。他記得在拉比小組中曾討論過用銫133的超精細結構測量頻率的可能性。拉比還建議美國國家標準技術局研製原子鍾，後因條件尚不成熟而擱置。
第二次世界大戰中，由於雷達的廣泛應用，微波電子技術有了長足進展，用感應法和吸收法相繼發現了核磁共振，人們認識到，用原子鍾來計時的時代已經不遠了。
原子束實驗裝置素以結構複雜、設備龐大著稱，因為它既需要加熱，又需抽高真空，還要有強大的射頻場和特殊要求的磁場，使分子束或原子束發射，聚焦、選場、激發和檢測。怎樣才能簡化這些設備呢?這是物理學家大傷腦筋的問題。特別是為了減小譜線寬度，還必須采取某些特殊的措施，使事情更複雜化。根據理論分析，得知譜線寬度與振蕩場區的長度成反比。這個振蕩場區要求保持均勻的微波場和磁場。振蕩場區的長度越長，譜線寬度就越窄，頻率計量的精度就越高。但是，實踐的結果並不盡如人意。振蕩場區加長，又會遇到新的問題，射程長了，原子束的強度大減，而且難以保證磁場均勻，所以加大長度，譜線反而增寬。
拉姆齊和大家一樣，也在為這個問題做各種探討。他當時正在哈佛大學教物理光學課，正當他在為譜線增寬的問題苦思之際，邁克耳遜的測星幹涉儀的設計思想啟發他找到了一條絕妙的方法。
邁克耳遜的測星幹涉儀是20世紀20年代初頗引人注目的一項成果。他在加州威爾遜山天文台的254米天文望遠鏡上加了兩道反射鏡，形成兩翼，相距6米，利用兩翼的光束互相幹涉，從而測星體的角直徑，結果把望遠鏡的角分辨率加大了幾十倍，第一次測出了星體的角直徑，解決了過去用望遠鏡一直沒有解決的問題。相距6米的反射鏡相當於把望遠鏡的口徑加大6米，實際上即使成了這樣龐大的望遠鏡，也可能無法保證幹涉條紋的清晰度。後來，邁克耳遜的設計方案被人們寫進了教科書，拉姆齊在教光學時當然會涉及這個問題。
可不可以也用類似的辦法來改造原子束的振蕩場呢?經過計算，證明在振蕩場的兩端用兩條狹窄的振蕩區即可代替整個振蕩場，隻要兩端的驅動微波同相位，整個場的不均勻性就不會影響共振曲線的寬度，反而可以使寬度窄40%。這一設計思想立即使銫原子鍾獲得了成功的希望。1952年第一台應用分離振蕩場方法的銫原子鍾在美國國家標準技術局問世，頻率寬度是原來的方法的十分之一，接著，英國國家物理實驗室也於1955年建立了原子鍾，3年後他們發表了精確的結果：銫133原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射頻率為9192631770MHz。這一頻率後來在1967年被第十三屆國際計量大會正式用來定義時間的基準。秒的新定義就是這樣產生的。
20.激光器的發明
這裏指的是20世紀的一項重要發明——微波激射器。另一個新名詞大家也許早就熟悉，所謂鐳射，就是我們常常說到的激光。
晶體管的發明，它是第二次世界大戰後最激動人心的科技產物，對20世紀後半葉人類社會的發展和物質文明的進步有極大的推進作用。然而，無獨有偶，就在這個時期，又孕育了另一項重大的科技發明，那就是脈澤和激光。在脈澤和激光的發明中，運用了20世紀量子理論、無線電電子學、微波波譜學和固體物理學的豐碩成果，也凝聚了一大批物理學家的心血。這些物理學家很多是在貝爾實驗室工作的，其中最為突出的一位是美國的物理學家湯斯(CHTownes)。
湯斯是美國南卡羅林納人，1939年在加州理工學院獲博士學位後進入貝爾實驗室。二次大戰期間從事雷達工作。他非常喜愛理論物理，但軍事需要強製他置身於實驗工作之中，使他對微波等技術逐漸熟悉。當時，人們力圖提高雷達的工作頻率以改善測量精度。美國空軍要求他所在的貝爾實驗室研製頻率為24000MHz的雷達，實驗室把這個任務交給了湯斯。
湯斯對這項工作有自己的看法，他認為這樣高的頻率對雷達是不適宜的，因為他觀察的這一頻率的輻射極易被大氣中的水蒸氣吸收，因此雷達信號無法在空間傳播，但是美國空軍當局堅持要他做下去。結果儀器做出來了，軍事上毫無價值，卻成了湯斯手中極為有利的實驗裝置，達到當時從未有過的高頻率和高分辨率，湯斯從此對微波波譜學產生了興趣，成了這方麵的專家。他用這台設備積極地研究微波和分子之間的相互作用，取得了一些成果。
1948年湯斯遇到哥倫比亞大學教授拉比(IIRabi)。拉比建議他去哥倫比亞大學。這正合湯斯的心願，遂進入哥倫比亞大學物理係。1950年起在那裏就任正教授。雷達技術涉及到微波的發射和接收，而微波是指頻譜介於紅外和無線電波之間的電磁波。在哥倫比亞大學，湯斯繼續孜孜不倦地致力於微波和分子相互作用這一重要課題。
湯斯渴望有一種能產生高強度微波的器件。通常的器件隻能產生波長較長的無線電波，若打算用這種器件來產生微波，器件結構的尺寸就必需極小，以至於實際上沒有實現的可能性。
1951年的一個早晨，湯斯坐在華盛頓市一個公園的長凳上，等待飯店開門，以便去進早餐。這時他突然想到，如果用分子，而不用電子線路，不是就可以得到波長足夠小的無線電波嗎?分子具有各種不同的振動形式，有些分子的振動正好和微波波段範圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉變為輻射。就氨分子來說，在適當的條件下，它每秒振動24×1010次，因此有可能發射波長為114厘米的微波。