Le mécanisme ou le phénomène qui produit une échelle de temps se caractérise essentiellement par son exactitude et sa stabilité.

Exactitude : elle caractérise l'écart entre l'unité de temps produite par le mécanisme, le phénomène ou le procédé choisi et la valeur de cette unité telle qu'elle a été définie. Autrement dit elle mesure la capacité du mécanisme à réaliser l'unité de temps telle qu'elle est définie.

Par exemple quand la seconde était définie par la fraction 1/86400 d'un jour moyen, on jugeait de l'exactitude d'une horloge à balancier à sa capacité à produire 86400 oscillations dans cet intervalle de temps : on pouvait alors dire que le mécanisme de l'horloge battait bien la seconde.

Pour une horloge atomique il s'agit de produire (entre autres) des tops séparés par un intervalle dont la longueur s'approche le plus possible de la durée d'une seconde telle qu'elle est définie actuellement à partir d'une transition de l'atome de césium. Et cela compte tenu de toutes les conséquences des différents phénomènes physiques qui interviennent dans le fonctionnement d'une telle horloge (durée du passage des atomes de césium dans le faisceau micro-ondes, effet Zeeman, effet Stark, corps noir,...). Les dernières horloges au césium à fontaine atomique ont une exactitude de 2 10^-15 s.

En règle générale les horloges, quelles qu'elles soient, sont inexactes.

Stabilité (ou l'instabilité) : elle précise la variation relative de la valeur de l'unité de temps déduite du procédé en question sur une durée donnée : variation de la seconde déduite de la rotation terrestre due au ralentissement ou aux irrégularités de cette rotation, sensibilité d'un pendule aux variations de température, vieillissement du quartz d'un oscillateur, ....Autrement dit elle mesure la capacité de l'horloge à garder son inexactitude.

Pour les horloges atomiques elle est de l'ordre de 10^-14 à 10^-15 sur plusieurs mois. Statistiquement elle s'exprime par un écart-type. Notons que le nombre exprimant la stabilité peut être plus petit que celui relatif à l'exactitude. Les horloges atomiques contribuant à l'établissement du TAI ne sont pas exactes, mais le BIPM apprécie qu'elles soient stables.

Autre exemple : si votre montre avance très régulièrement d'une seconde par jour, elle est inexacte mais elle est très stable. Par contre si votre montre une fois mise à l'heure, a avancé d'une seconde le lendemain, de deux secondes le surlendemain, etc.. elle n'est pas stable (du coup à partir du lendemain elle n'est pas non plus exacte). Pour l'usage courant d'une horloge sa stabilité est plus importante que son exactitude.

Le mot "précision" est souvent utilisé improprement pour désigner l'une ou l'autre des deux propriétés précédentes. Mais la précision est toujours associée à une mesure.

Les autres qualités indispensables à une échelle de temps sont l' universalité, la pérennité et l' accessibilité.

Universalité : une échelle de temps servant d'abord à dater des évènements, elle se doit d'être utilisée de la façon la plus universelle possible sur le globe, surtout à notre époque. Actuellement en ce qui concerne l'heure, c'est le temps UTC qui est l'échelle de temps mondiale de référence. Il n'en est pas de même des calendriers, dont plusieurs sortes sont en usage suivant les civilisations ou les religions. Néanmoins le calendrier grégorien tend à s'imposer comme référence en pratique.

Pérennité : il est indispensable que le mécanisme qui définit l'échelle de temps ne risque pas de s'interrompre. A priori en ce qui concerne la révolution de la Terre autour du Soleil et sa rotation nous sommes tranquilles pour quelques milliards d'années, ou du moins pour quelques générations humaines. Quant aux horloges atomiques qui scandent le Temps Atomique il devient évident que celui-ci ne peut reposer sur le fonctionnement d'une seule horloge, qui peut toujours tomber en panne un jour ou l'autre. C'est pourquoi le Temps Atomique International est établi à partir de la marche de quelques 300 horloges atomiques réparties plus ou moins unifirmément dans le monde. De toutes façons, les horloges actuelles fonctionnant avec des éléments comme le césium, le rubidium ou l'hydrogène il est nécessaire d'interrompre périodiquement leur fonctionnement pour renouveler la réserve de cet élément.

Accessibilité : une échelle de temps universelle doit être accessible à tous. En pratique l'accès direct est réservé aux spécialistes, surtout à notre époque. Cela a toujours été vrai des échelles basées sur les phénomènes astronomiques qui nécessitent, en plus d'une connaissance parfaite du sujet, une instrumentation précise et coûteuse associée à des observations longues et minutieuses. De plus actuellement ces échelles ne sont plus le fait d'un seul obervatoire mais d'un ensemble d'observatoires répartis sur le Globe et travaillant en collaboration. Pour les échelles atomiques il est évident que tout le monde n'a pas une horloge atomique chez soi, ni n'est en mesure de calculer le TAI. Néanmoins de nos jours la diffusion du temps sous forme de signaux horaires n'est pas un problème (horloge parlante, montres radio-pilotées, signaux GPS, protocole NTP...). Il importe seulement que ces signaux soient gardés en concordance aussi précise que possible avec l'échelle de temps de référence établie par ailleurs par les organismes compétents.

Référence : C. Audoin, B. Guinot : Les fondements de la mesure du temps. Masson; 1998