首先是理論上的困難，即尚未搞清時間測量賴以為基礎的天體運動規律；其次是技術上的困難，天體的光線經過地球大氣到達觀測儀器，大氣對星光的折射大大限製了地麵觀測精度。目前，在地麵上利用光學望遠鏡觀測恒星測定世界時，其精度隻能達到千分之幾秒的水平。
當宏觀時間標準（天體運動）不能適應科學發展需要的時候，人類的認識又向著另一個方麵--微觀世界發展，開始了認識和測量時間的又一個新進程。
我們知道，在宏觀世界裏找不到完全相同的個體。全世界有40幾億人口，那就是40幾億個模樣，即使是孿生兄弟，看起來相似，但仔細觀察，總可以找出差異。同一廠家，用同一類元器件生產的某種電氣產品，外觀上可以一模一樣，質量卻會各有優劣。
但是在微觀世界裏，情況卻恰恰相反，有許多東西是完全相同的。你不可能把一個電子同另一個電子區別開來，也不可能找出同一種元素的原子之間有什麼不同。這不是因為測量儀器粗疏，而是它們的確完全相同，原則上無法把它們區別開采。
人們已經認識了微觀世界裏的分子、原子、原子核、基本粒子……它們小到10-13厘米，我們用肉眼是無論如何也看不到它們的。
原子雖然很小，但它內部卻是一個複雜的世界。每個原子都有一個原子核，核外分層排布著高速運轉的電子。當原子（或分子）受到x射線或其他電磁輻射時，它的軌道電子可以從一個位置跳到另一個位置（物理學上稱此為“躍遷”），還可以改變方向，或者像彈簧拉著的小球那樣不住地跳動。躍遷時，原子將吸收或釋放出一定能量的電磁波。這類電磁波在本質上同單擺一樣，也是一種周期運動，隻是它振動的周期更短（每秒鍾竟能達幾十億次）、更精確、更穩定罷了。
既然如此，我們能不能像製造擺鍾那樣，把原子套到時鍾上，利用它的振蕩做出原子鍾呢？
這是20世紀初期物理學家們熱烈討論的課題。1927年，偉大的生物學家、進化論發現者達爾文的後代G·達爾文第一個從理論上探討了這個問題，接著，美國物理學家弗浦斯和佛裏奇等人進行了試驗。1936年，哥倫比亞大學的拉比教授根據這些實驗提出了獲得原子躍遷振蕩頻率的基本理論和方法，初步顯示出利用原子振蕩頻率控製時鍾的可能性。遺憾的是，這些實驗和研究由於第二次世界大戰的影響中斷了數年。
二次大戰後，有關的實驗和研究工作迅速恢複和發展。1949年，美國國家標準局首先利用氨分子躍遷做出了氨分子鍾。5年以後，英國皇家物理實驗室終於把銫原子套到了時鍾上，做成世界上第一架銫原子鍾。此後，其他類型的原子鍾相繼問世，其中主要有氫原子鍾和銣原子鍾。由原子鍾給出的時間叫原子時，專業書上記為AT，它是英文名稱Atomic Time的縮寫。
新的挑戰
宇宙是無窮無盡的，人們對於它的認識不會停留在一個水平上。同其他任何一個學科領域一樣，時間計量科學也隨科學技術的進步而不斷地向前發展著。
事實上，在原子鍾取得定義時間的統治地位以後，時間工作者並未因此而滿足、止步。他們在進一步改善現有原子鍾各項性能指標的同時，又積極探索新的計時標準，開始了新的“長征”。
根據當前實驗室工作和理論分析提出的新原理、新方法主要有：利用鉈元素研製鉈原子鍾，利用鎂或鈣的亞毫米束研製鎂或鈣原子鍾，利用離子的特殊結構研製“離子鍾”，利用激光頻率標準研製“光子鍾”。
在這些新探索中，光子鍾具有很大潛力，它正向銫原子鍾提出挑戰。
我們知道，光本身也是一種電磁波。它的頻率比無線電波段的頻率要高得多。按照理論分析，激光頻率的穩定度要比銫標準高3個數量級，用它做成光子鍾，時間計量精度又可以在目前的水平上再提高1000倍。這又將是一次重大的變革。
當然，實現這場變革的困難是很多的。但是，科學家從來不懼怕科學實驗中的困難，他們也從來不會繞開困難走。“科學有險阻，苦戰能過關。”目前，他們正在埋頭苦幹，實驗室的試驗已經取得了初步成果，變革的曙光已經露出地平線。
實現這場變革以後會產生一些什麼結果，它將給計量科學帶來怎樣的影響？在光子鍾做成之前，我們還難以作出詳盡的具體的描述，但是，我們可以從理論上推測它可能提出的新問題。
我們知道，時間、長度和質量是三個基本物理量，其他物理量，例如速度、溫度、照度、電壓、功率等，都可以通過這3個基本量導出。比如速度，它就是由長度和時間導出的：
速度=距離時間。
如果激光時間標準取得成功，它首先會動搖長度標準--米的定義。
米是世界各國使用比較廣泛，而且也是比較先進的計量長度的單位。1米的長度是指法國巴黎所在經圈上一個象限（90°）的子午線長度的1000萬分之一。最初，人們用高硬度和抗氧化的鉑銥合金做成所謂“米原器”來保持米的標準長度。這種合金的膨脹係數雖然很小（約為875×10-6/℃），但不能保證其長度不隨時間而變化。從1960年起，國際上決定用氪（Kr86）的一條發射線波長AL來定義米，即
1米=165076373λk
就是說，用波長的倍數來表示米的長度。用這種方法確定米長，精度約為10-8量級，即兩次測量之間的誤差約為001微米。
但是，頻率測量的精度目前已經提高到10-13以上。這裏就提出一個亟待解決的問題：波長和頻率通過光速相互，聯係著，光速c等於波長與頻率f的乘積，c=f，這樣，光速的精度就受到波長標準的限製。因此，近年來國際上正在醞釀要不要重新定義光速。如果重新定義光速，那麼米就傘不再是獨立的計量單位，它將通過光速與秒定義統一起來。這樣，三大基本量就會變成為“兩大基本量”。
另外，其他一些導出單位也可能隨之取決於時間。例如電壓測量就可能是這樣。
目前，電氣工程師用“標準電池”測量電壓，精度在10-5-10-6量級。但是我們知道，交流電的頻率f與電壓V的關係是：
f=2eV/h
這裏e代表電子的電荷，h是一個常數，叫普朗克常數。選取適當的比值e/h，就可以把電壓測量轉化為頻率測量，即轉化為時間的測量，因為時間和頻率互為倒數。
激光時間標準所具有的巨大潛力已引起世界各國的普遍重視，包括我國在內的許多國家的研究工作正在取得進展，時間計量史上的又一個裏程碑已經開始破土奠基。我們熱切期待著我國時間工作者為它早日揭幕做出較大的貢獻。
百萬分之一秒的用途
在現代社會的日常生活中，時間精確到秒已經足夠了。我們從未發現有哪個民航機場會把班機起飛時間定在幾時幾分幾秒點幾幾，也沒看到有哪個學校會把學生上課、下學的時間作類似規定。即使是最新式的現代電子手表，它給出的時間也隻到秒為止。那麼，科學家們為什麼要把時間測得那樣準，要精確到萬分之一秒、百萬分之一秒，甚至億分之一秒呢？難道他們真的是一些嗜奇的怪人？
完全不是！
科學家最講究效益。如果生產實踐和科學研究沒有需要，他們絕對不會去耗費自己的精力，浪費光陰和社會財富。
一般說來，人的時間反應大約為十分之幾秒，從反應時間到開始執行某種動作，大約要隔幾秒鍾。因此在日常生活中，人們對小於秒的時間，要求並不迫切。
但是，在生產活動和科學研究中，情況則完全不同。
最簡單的例於是百米賽跑。在現代運動水平上，有時準確到十分之一秒還難決雌雄，必須準確到百分之一秒才能選出優勝者。
另一個例子是對於雷電的研究。雷電是大家熟悉的一種自然現象。在炎熱的夏天，突然狂風大作，烏雲翻滾，雷雨交加。撕破長空的閃電，震耳欲聾的雷聲，往往摧毀房屋、橋梁，毀壞森林、堤壩，甚至帶來人身傷亡事故。在過去，有些人常常把這種自然現象說成是雷公顯靈、懲罰人間。後來，美國科學家富蘭克林在一次雷雨中放出一個風箏，從雲層中引出電火花，才打破了關於雷電的迷信傳說。但是，在富蘭克林之後的差不多兩個世紀裏，沒有一個人真正知道閃電劃過天空時究竟發生了一些什麼事情。其原因就在於時間測量精度不高，人們難以分辨雷電發生的過程。現在我們知道，每次雷電都有一個“主雷區”，它發出沉悶的先導雷聲，然後在雲層中分叉、放電，劃出閃光傳向地麵，每一過程所經曆的時間都不到萬分之一秒。如果時間測量精確不到萬分之一秒，人們就很難研究雷電的全過程，也不可能找到今天這樣避免雷擊的方法。
再如研究爆炸過程。開山劈路要炸藥，保衛國家獨立、安全要擁有各種武器，其中常規武器也要用炸藥。炸藥的爆炸過程很快，甘油炸藥或黃色炸藥（TNT），其爆炸發生在百萬分之一秒（微秒）的短時間裏；現代魚雷用一種高速炸藥引爆，從引爆到爆炸隻要20多個微秒。化學家和國防技術人員要試驗和記錄各種物質的爆炸速度，沒有精確到百萬分之一秒的時間測量，他們不僅不能找到有效的爆炸物質，而且有時連他們的生命也難以保全。
至於宇宙航行，它對時間的要求就更高。飛船或衛星的發射、人軌、製導、重返大氣層、安全回收或著陸，每一過程都需要有精密的時間測量。從發射場、飛行控製中心，到回收監視區域，都需要有專門控製時間的係統--時間統一服務係統--給各個部位提供高精度的時間信號，以保證發射成功。據說，美國發射的第二艘載人飛行的“水星”號飛船，在返回地麵前，由於飛船姿態控製係統出了毛病，宇航員改用手動控製，這樣使製動火箭的點火時間稍晚了一些，結果飛船就離開正常軌道20幾度，偏離預定著陸點近枷千米，險些釀成危險。
比這更短的時間測量，發生在神奇的核物理學領域。物理學家發現，亞原子（比原子更小）微粒的運動速度接近光速，其壽命特別短，隻有幾億分一秒。有位德國科學家說他發現了第109號新元素。這種新元素（尚未命名）的壽命隻有億分之一秒。可以設想，如果沒有高精度的原子鍾，人們便難以研究物質的微觀變化特性，也不會有新元素的發現。
科學家們還預言，某些介子的壽命比這還短，大約隻有014×10-25秒。這大概是人類近期內將要遇到的最短的時間測量。