石英钟利用石英晶体的一种特殊特性，称为压电效应。利用这一特性，人们可以使适当频率的电场与适当形状的石英晶体发生共振，然后利用共振频率测量时间。石英钟的出现，消除了过于复杂的齿轮系统给摆钟带来的磨损和阻尼，其精度很快就超过了摆钟。
除了高精度外，石英钟还有一个很大的优点，那就是它可以测量非常小的时间间隔。如前所述，人们发明钟表的原因是不容易发现比“月”短的自然周期运动，因此不可能测量比“日”短的时间。摆钟也存在这个问题，但程度不同，因为摆钟的周期通常在秒的量级上，所以不可能测量到比秒短的时间。但是石英钟的振动周期只有几万甚至几千万秒，所以它可以测量很小的时间间隔。1932年，科学家利用石英钟研究地球自转，发现我们居住的巨型太空陀螺仪有轻微的“震动”——地球自转周期有非常小的短期变化。
石英钟虽然具有突出的优点，但也有一个致命的缺点，即其精度会随着石英晶体的老化而下降。即使是最好的石英钟，误差也是千年一秒，使用时间越长，误差就越大。幸运的是，就在石英钟问世20多年后，一种新的时钟出现在了历史的舞台上，那就是原子钟，它是1955年由英国科学家首次研制出来的。
原子钟的霸主地位
顾名思义，原子钟依赖于微观世界中的周期现象（特别是跃迁辐射中的周期现象），这是自然界中最完美、最纯粹的周期现象。它不损耗，不老化，振动周期比石英晶体短，所以原子钟的精度远高于以往任何一种钟，而且还可以测量更精细的时间间隔。
英国科学家最早研制的原子钟是转原子钟。铯在早期原子钟的生产中发挥了重要作用，由于其超精细能距大，在微波波段的跃迁辐射相对容易测定，而且它只有一种稳定的同位素，避免了提纯的麻烦。此外，应该提到的是，美国和国家标准计量研究所于1949年研制的氨分子钟有时被称为第一原子钟。
原子钟的出现不仅改变了时间测量，也改变了空间测量。1967年，人们将“秒”的定义从最初的天文定义改为原子钟的定义，即1秒等于“铯-133原子基态两个超精细能级跃迁对应的9192631770个辐射周期的持续时间”；1983年，人们进一步联系起来“米”与“秒”的定义，即一米等于“真空中的光1/299792458秒”。在人类计量史上，这是一个引人注目的结果，因为传统上人们用空间距离（如日晷和时钟的刻度）来标记时间，但现在空间计量依赖于时间计量。
原子钟在诞生之初，其精度仅为每300年一秒。经过半个多世纪的发展，其精度提高了几百万倍，而且还在不断提高。同时，原子钟的种类也增加了。工作物质已从镉和梗原子扩展到钙、U甚至汞。2009年，美国国家标准与计量研究所（NIST）的科学家研制出一种原子钟，其精度记录仅比每17亿年减少1秒。原子钟是以汞离子为基础的。它的工作波段在光学波段（传统的椭原子钟在微波波段），所以又称光学钟。光学钟的振动周期比带原子钟短，所以除了精度更高外，可以测量的时间间隔也更精细。
精确计量时间的意义
虽然时钟越精确越好，但世界上很多东西都有度，一旦过了，就会变成浪费，所以有一个问题我们在本文开头问过：这样精确的时钟有用吗？
答案是肯定的，答案首先来自科学研究。我们可以举很多例子，比如爱因斯坦的相对论告诉我们，在运动的参照系和引力场中，时间的流逝都会减慢。
