Atomuhren sind die genauesten Zeitmesser, die wir kennen. Sie erfassen den Zeitverlauf anhand eines durch ein elektromagnetisches Feld periodisch hervorgerufenen Phänomens in Atomen, dem Übergang in ein anderes Hyperfeinstrukturniveau. Seit 1967 ist die auf diese Weise ermittelte Sekunde die Basiseinheit der Zeit.
Sie ist definiert als 9.192.631.770 x die Frequenz (Periodendauer) der elektromagnetischen Strahlung, bei welcher der Wechsel zwischen den beiden Atomzuständen erfolgt. Beim Übergang des bestrahlten Atoms von einer Hyperfeinstruktur in die andere wird ein elektromagnetischer Impuls ausgesandt, der sich sehr präzise messen lässt.
Zuvor war eine Sekunde als 86.400ster Teil eines Tages definiert, also wesentlich ungenauer als dies anhand von atomaren Messungen möglich ist. Denn der Umlauf der Erde um die Sonne unterliegt vergleichsweise starken Unregelmäßigkeiten. In den meisten Fällen nutzen Atomuhren das Isotop Cäsium-133, so auch die CS2 der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, deren Messungen das deutsche Zeitnormal ergeben, also unsere genaue Zeit.
Aus 260 nationalen Atomzeiten wird die Internationale Atomzeit TAI ermittelt. Im Abgleich mit der astronomischen Zeit wird die Koordinierte Weltzeit ermittelt, welche schließlich an die Funkuhren gesendet wird. Seine Computer-Uhr kann man über das Internet mit den aktuellen Werten zahlreicher Atomuhren abgleichen. Selbst Atomuhren gehen noch nicht hundertprozentig genau, die CS2 weicht pro Jahr um etwa den millionsten Teil einer Sekunde vom Idealwert ab. Die derzeit genaueste Atomuhr für längere Zeiträume steht in London, sie weicht in zwei Monaten höchstens eine Nanosekunde ab.