史蒂芬·霍金（Stephen W. Hawking）在他的《时间简史》一书中写道：“时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。” 然而，无论物理上的时间定义还是史蒂芬·霍金所描述的时间都无法由数理模型或公式所表述及验证，而且在天文学、哲学、文学、生物学里，都存在对时间的不同理解、不同应用。
自十七世纪以来，天文学家们以地球自转和世界时作为时间尺度：当地球绕轴自转一周，地球上任何地点的人连续两次看见太阳在天空中同一位置的时间间隔为一个平太阳日。由于一个平太阳日被分为24小时，每小时为3600秒，1820年法国科学院正式提出：一个平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，称为世界时秒长。根据世界时秒长度量的时间被称为世界时(UT1：Universal Time 1)。由于地球自转季节性变化、不规则变化和长期减慢，所以世界时每天只能精确到1×10-9秒。在原子钟问世前，秒长是基于自转时(平太阳时)，但石英钟出现后，发现了地球自转的不均匀性，自转时不能作为时间基准。
1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功。1963年13届国际计量大会决定：铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9，192，631，770周所持续的时间为1秒，被称为国际原子时(TAI: International Atomic Time)。此定义一直延用至今。目前，有大约50多个分散于世界各地的实验室拥有铯原子Cs133时钟，这些实验室定期地向位于法国巴黎的国际时间局(BIH：Bureau International de l’Heure)提供测时信息。国际时间局为世界各国的授时中心提供准确的时间服务数据，并保持着国际原子时尺度。1979年开始，TAI已在全世界全面使用，历元时刻与时间间隔都用原子时。而原来的世界时仅在与地球自转有关的研究工作或应用领域中使用。
为了使协调世界时(UTC)尽量靠近世界时(UT1) ，我们就必须在必要时对UTC作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使得UTC和UT1的时刻之差保持在±0.9秒以内。这一技术措施就称为闰秒(或跳秒)，增加1秒称为正闰秒(或正跳秒)；去掉1秒称为负闰秒(或负跳秒)。是否需要闰秒，由国际地球自转服务(IERS：International Earth Rotation and Reference Systems Service）决定。闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分60秒后插入1秒，插入后的时序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：…57秒，58秒，0秒，…，这一天只有86399秒。
